DE102016225312A1 - Anode active material with glassy carbon coating - Google Patents

Anode active material with glassy carbon coating Download PDF

Info

Publication number
DE102016225312A1
DE102016225312A1 DE102016225312.3A DE102016225312A DE102016225312A1 DE 102016225312 A1 DE102016225312 A1 DE 102016225312A1 DE 102016225312 A DE102016225312 A DE 102016225312A DE 102016225312 A1 DE102016225312 A1 DE 102016225312A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
active material
carbon
carbonate
lithium
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016225312.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Byron Konstantinos Antonopoulos
Barbara Stiaszny
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Priority to DE102016225312.3A priority Critical patent/DE102016225312A1/en
Publication of DE102016225312A1 publication Critical patent/DE102016225312A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0567Liquid materials characterised by the additives
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • H01M10/0569Liquid materials characterised by the solvents
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386Silicon or alloys based on silicon
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/387Tin or alloys based on tin
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • H01M4/587Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • H01M4/625Carbon or graphite
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/027Negative electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0025Organic electrolyte
    • H01M2300/0028Organic electrolyte characterised by the solvent
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/523Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron for non-aqueous cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aktivmaterial für die negative Elektrode einer Lithiumionenzelle, das ein Anoden-Aktivmaterial umfasst, das mit einer Schicht aus Glaskohlenstoff (GC) beschichtet ist. Aufgrund der GC-Beschichtung bildet das Aktivmaterial eine sehr stabile SEI mit hohem Schutz vor Zersetzung des Elektrolyten und Degradation des Aktivmaterials, die gleichzeitig eine gute Kinetik im Hinblick auf die Übertragung von Lithium-Ionen zwischen Aktivmaterial und Elektrolyt ermöglicht. Dadurch kann die Lebensdauer der Zelle verbessert werden, und es können auch Elektrolyt-Lösemittel eingesetzt werden, die bei herkömmlichen Anodenaktivmaterialien zu einer schnellen Degradation führen würden. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine negative Elektrode für eine Lithiumionenzelle, sowie eine Lithiumionenzelle, die die negative Elektrode umfasst.The invention relates to a negative electrode active material of a lithium ion cell comprising an anode active material coated with a layer of glassy carbon (GC). Due to the GC coating, the active material forms a very stable SEI with high protection against decomposition of the electrolyte and degradation of the active material, which at the same time enables a good kinetics with regard to the transfer of lithium ions between the active material and the electrolyte. As a result, the life of the cell can be improved, and electrolyte solvents can be used, which would lead to rapid degradation in conventional anode active materials. Furthermore, the invention also relates to a negative electrode for a lithium-ion cell, and a lithium-ion cell comprising the negative electrode.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Anodenaktivmaterial mit einer Glaskohlenstoff-Beschichtung, eine negative Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die das beschichtete Aktivmaterial umfasst, sowie eine Lithiumionenzelle, die die negative Elektrode umfasst.The invention relates to an anode active material having a glassy carbon coating, a negative electrode for a lithium-ion cell comprising the coated active material, and a lithium-ion cell comprising the negative electrode.

Technischer HintergrundTechnical background

Gegenwärtig werden in zahlreichen mobilen und stationären Energiespeichersystemen Lithium- bzw. Lithiumionenbatterien mit Flüssigelektrolyt eingesetzt, die im Wesentlichen eine negative Elektrode (Anode), eine positive Elektrode (Kathode) und einen dazwischenliegenden Separator umfassen, der mit einem nichtwässrigen Flüssigelektrolyten getränkt ist.At present, lithium and lithium ion batteries with liquid electrolyte, which essentially comprise a negative electrode (anode), a positive electrode (cathode) and an intermediate separator impregnated with a nonaqueous liquid electrolyte, are used in many mobile and stationary energy storage systems.

Die Anode bzw. Kathode umfassen jeweils mindestens ein Anoden- bzw. Kathoden-Aktivmaterial, das gegebenenfalls unter Einsatz mindestens eines Bindemittels und/oder mindestens eines Zusatzes zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit auf einem Stromkollektor aufgebracht ist. Die Elektrodenstruktur einer solchen Zelle ist im Allgemeinen porös, so dass die Kontaktfläche zwischen dem Flüssigelektrolyt und den Aktivmaterialpartikeln möglichst groß wird und ein Austausch von Lithiumionen möglich ist.The anode or cathode each comprise at least one anode or cathode active material, which is optionally applied to a current collector using at least one binder and / or at least one additive for improving the electrical conductivity. The electrode structure of such a cell is generally porous, so that the contact area between the liquid electrolyte and the active material particles is as large as possible and an exchange of lithium ions is possible.

Das Anoden-Aktivmaterial hat im Allgemeinen ein sehr geringes elektrochemisches Potential von weniger als 1 V gegenüber Li/Li+. Unter diesen Bedingungen werden die meisten in Betracht kommenden Elektrolyte durch Reduktion zersetzt. Nach dem ersten Ladezyklus bildet sich aus Zersetzungsprodukten des Elektrolyten daher eine als
SEI (solid-electrolyte-interphase) bezeichnete Passivierungsschicht auf der Anode aus, die weitere Reaktionen zwischen Elektrolyt und Elektrode hemmt.
The anode active material generally has a very low electrochemical potential of less than 1 V over Li / Li +. Under these conditions, most of the eligible electrolytes are decomposed by reduction. After the first charge cycle, therefore, decomposition products of the electrolyte form one
SEI (solid electrolyte interphase) designated passivation layer on the anode, which inhibits further reactions between the electrolyte and the electrode.

Vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Zelle wird die SEI bei der sogenannten Formierung gezielt gebildet. Dabei wird angestrebt, eine SEI zu bilden, die Elektroden und Elektrolyt vor einer weiteren Degradierung schützt und die sich in den nachfolgenden Lade-/Entladezyklen möglichst wenig verändert. D.h. die SEI soll als Passivierung fungieren und verhindern, dass nach der Formierung während des Betriebs der Zelle noch weiterer Elektrolyt zersetzt wird. Andererseits muss die SEI auch eine möglichst hohe Durchlässigkeit für Lithiumionen haben, um den Austausch von Lithiumionen zwischen Aktivmaterial und Elektrolyt-Lösung nicht zu behindern.Before the actual commissioning of the cell, the SEI is formed specifically in the so-called formation. The aim is to form an SEI that protects electrodes and electrolyte from further degradation and that changes as little as possible in the subsequent charge / discharge cycles. That the SEI should act as a passivation and prevent further electrolyte from being decomposed during formation of the cell after formation. On the other hand, the SEI must also have the highest possible permeability for lithium ions in order not to hinder the exchange of lithium ions between the active material and the electrolyte solution.

Als Flüssigelektrolyt dient ein polares aprotisches Lösemittel, in dem ein Leitsalz wie LiPF6 gelöst ist. Als Lösungsmittel werden meist Carbonate wie Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Dimethlycarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC) oder Ethylmethylcarbonat (EMC) eingesetzt.The liquid electrolyte used is a polar aprotic solvent in which a conducting salt such as LiPF 6 is dissolved. Carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethlycarbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC) or ethylmethyl carbonate (EMC) are usually used as solvents.

EC ist im Hinblick auf die Bildung der SEI und die hohe Dielektrizitätskonstante, die ein gutes Lösevermögen für das Leitsalz ermöglicht, bevorzugt, allerdings liegt der Schmelzpunkt von EC oberhalb der Raumtemperatur. PC besitzt ebenfalls eine hohe Dielektrizitätskonstante und einen deutlich niedrigeren Schmelzpunkt, und kann daher ein hohes Lösevermögen bei niedriger Viskosität und guten Tieftemperatureigenschaften liefern. Doch kann PC in die Schichtstruktur des Graphit-Aktivmaterials co-interkalieren und so zu einer Degradation der Elektrode führen. Offenkettige Carbonate wie DMC, DEC oder EMC haben niedrige Schmelzpunkte und eine niedrige Viskosität, was eine hohe Ionenbeweglichkeit ermöglicht, doch aufgrund ihrer niedrigeren Dielektrizitätskonstante ist das Lösevermögen für das Leitsalz verringert.EC is preferred in view of the formation of the SEI and the high dielectric constant, which allows a good dissolving power for the conductive salt, but the melting point of EC is above room temperature. PC also has a high dielectric constant and a much lower melting point, and therefore can provide high dissolving power with low viscosity and good low temperature properties. However, PC can co-intercalate into the layered structure of the graphite active material, resulting in degradation of the electrode. Open-chain carbonates such as DMC, DEC, or EMC have low melting points and low viscosity, which allows for high ion mobility, but due to their lower dielectric constant, the solvency of the conductive salt is reduced.

Um annehmbare Eigenschaften sowohl im Hinblick auf die Viskosität und Ionenbeweglichkeit, insbesondere bei niedriger Temperatur, als auch im Hinblick auf SEI-Bildung und Lösevermögen für das Leitsalz zu erreichen, werden im Allgemeinen Mischungen aus EC mit PC und/oder offenkettigen Carbonaten wie DMC, DEC oder EMC eingesetzt, optional in Gegenwart weiterer Zusätze. Da jedoch einerseits ein hoher EC-Anteil die Viskosität erhöht und andererseits ein hoher Anteil offenkettiger Carbonate das Lösevermögen und die SEI-Bildung verschlechtern kann, handelt es sich bei solchen Mischungen typischerweise um Kompromisse, in denen versucht wird, allen Anforderungen im oben beschriebenen Spannungsfeld gerecht zu werden.In order to achieve acceptable properties both in terms of viscosity and ion mobility, especially at low temperature, as well as in terms of SEI formation and solvency for the electrolyte salt, mixtures of EC with PC and / or open-chain carbonates such as DMC, DEC are generally used or EMC used, optionally in the presence of other additives. On the one hand, however, since a high EC content increases the viscosity and on the other hand a high proportion of open-chain carbonates can degrade the solvency and SEI formation, such blends are typically compromises attempting to meet all the requirements in the stress field described above to become.

Die daraus resultierende SEI weist dabei üblicherweise bei weitem keine 100%-ige Passivierung auf, und es kommt während der Lebensdauer der Zelle zu dennoch fortschreitender Zersetzung des Elektrolyten. Dies ist in der Praxis ein Hauptgrund für die Alterung der Lithiumionenzellen. Zudem ist die Herstellung mehrkomponentiger Lösungsmittel aufwendig, und die Optimierung beispielsweise hinsichtlich des Tieftemperaturverhaltens und der Ionenbeweglichkeit erfordert Kompromisse im Hinblick auf die anderen Anforderungen.The resulting SEI usually has by far not 100% passivation, and it comes during the life of the cell to still progressive decomposition of the electrolyte. This is in practice a major cause of aging of lithium-ion cells. In addition, the production of multicomponent solvents is expensive, and optimization, for example, in terms of low-temperature behavior and ion mobility requires compromises with regard to the other requirements.

Eine weitere Schwierigkeit besteht in den bei den eingesetzten Graphit-Aktivmaterialien häufig auftretende, durch die SEI bedingte kinetische Hemmung der Interkalation/Deinterkalation. Diese kann zu hohen Überspannungen führen, was einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge hat und die Gefahr der Abscheidung von metallischem Lithium auf der Anode mit sich bringt. Metallisches Lithium kann interne Kurzschlüsse verursachen und stellt daher ein hohes Sicherheitsrisiko dar.Another difficulty is the frequent kinetic inhibition of intercalation / de-escalation due to the SEI in the graphite active materials used. This can lead to high overvoltages, resulting in a poorer efficiency result and the risk of deposition of metallic lithium on the anode brings with it. Metallic lithium can cause internal short circuits and therefore represents a high security risk.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabenstellungtask

In Anbetracht des oben beschriebenen Spannungsfeldes besteht Bedarf an einem Anoden-Aktivmaterial, das eine SEI mit guter Passivierung ermöglicht, ohne zu starke Kompromisse bei der Formulierung des Elektrolyt-Lösemittels einzugehen, und das eine gute Austauschrate für Lithiumionen zwischen Elektrolyt und Elektrode ermöglicht.In view of the stress field described above, there is a need for an anode active material which allows SEI with good passivation without undue compromises in the formulation of the electrolyte solvent and which allows a good exchange rate for lithium ions between electrolyte and electrode.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Beschichtung des Aktivmaterials mit Glaskohlenstoff (Glassy carbon, GC) gelöst. GC kann beispielsweise durch Pyrolyse von Polymeren hergestellt werden, und weist eine glasartige, amorphe Struktur mit einer im Vergleich zu Graphit hohen Härte und Steifigkeit auf. Die Fähigkeit zur Interkalation von Lithium ist geringer als bei Graphit. Reiner GC als Aktivmaterial hat daher gegenüber Graphit eine niedrigere Energiedichte und ein weniger stark negatives Potential, aber auch eine höhere Reaktionskinetik und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Degradierung durch Nebenreaktionen wie beispielsweise Co-Interkalation von PC.According to the invention, this object is achieved by coating the active material with glassy carbon (Glassy carbon, GC). For example, GC can be made by pyrolysis of polymers, and has a glassy, amorphous structure with high hardness and rigidity compared to graphite. The ability to intercalate lithium is lower than that of graphite. Pure GC as the active material therefore has a lower energy density and a lower negative potential compared to graphite, but also a higher reaction kinetics and a lower sensitivity to degradation by side reactions such as co-intercalation of PC.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine GC-Schicht auf ein Anodenaktivmaterial wie Graphit aufzubringen, die als Schutzschicht fungiert und unerwünschte Nebenreaktionen inhibiert, gleichzeitig aber gute Austauschraten für Lithium mit hoher Reaktionskinetik aufweist. Dies ermöglicht die Bildung einer sehr stabilen SEI mit hoher Passivierung und geringer Überspannung. Dadurch kann die Lebensdauer der Zelle und die Stabilität gegenüber Degradierung erhöht werden, und es sind weniger Kompromisse im Hinblick auf die Zusammensetzung des Elektrolyt-Lösungsmittels erforderlich. Beispielsweise wird es ermöglicht, im Hinblick auf ein gutes Lösevermögen für das Leitsalz und niedrige Viskosität ein Lösungsmittel mit hohem PC-Anteil einzusetzen, da die GC-Schicht das Risiko der Degradierung aufgrund von Co-Interkalation von PC deutlich verringert.The invention is based on the idea of applying a GC layer to an anode active material, such as graphite, which acts as a protective layer and inhibits undesired side reactions, but at the same time has good exchange rates for lithium with high reaction kinetics. This allows the formation of a very stable SEI with high passivation and low overvoltage. As a result, the life of the cell and the stability against degradation can be increased, and fewer compromises are required in terms of the composition of the electrolyte solvent. For example, it is possible to use a solvent with a high PC content in view of a good solubility for the conductive salt and low viscosity, since the GC layer significantly reduces the risk of degradation due to co-intercalation of PC.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Aktivmaterial für die negative Elektrode einer Lithiumionenzelle bereit, das ein Anoden-Aktivmaterial umfasst, das mit einer Schicht aus Glaskohlenstoff (GC) beschichtet ist.The present invention thus provides an active material for the negative electrode of a lithium ion cell comprising an anode active material coated with a layer of glassy carbon (GC).

Als Anoden-Aktivmaterial kommen Kohlenstoffmaterialien außer GC, Legierungsbildner und oxidische Konversionsmaterialien in Betracht. Vorzugsweise ist das Anoden-Aktivmaterial Graphit.As the anode active material, carbon materials other than GC, alloy formers and oxide conversion materials may be considered. Preferably, the anode active material is graphite.

Weitere Gesichtspunkte der Erfindung betreffen eine negative Elektrode für eine Lithiumionenzelle, in der das beschichtete Aktivmaterial, gegebenenfalls in Gegenwart mindestens eines Bindemittels und/oder mindestens eines Zusatzes zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit, auf einen Stromkollektor aufgebracht ist.Further aspects of the invention relate to a negative electrode for a lithium-ion cell, in which the coated active material, if appropriate in the presence of at least one binder and / or at least one additive for increasing the electrical conductivity, is applied to a current collector.

Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Lithiumionenzelle, die die negative Elektrode umfasst.Another aspect of the invention relates to a lithium ion cell comprising the negative electrode.

Aufgrund der GC-Beschichtung bildet das erfindungsgemäße Aktivmaterial eine sehr stabile SEI mit hohem Schutz gegenüber Zersetzung des Elektrolyten und Degradation des Aktivmaterials, die gleichzeitig eine gute Kinetik im Hinblick auf die Übertragung von Lithiumionen zwischen Aktivmaterial und Elektrolyt ermöglicht. Dadurch kann die Lebensdauer der Zelle verbessert werden, und es können auch Elektrolyt-Lösemittel wie PC eingesetzt werden, die bei herkömmlichen Anodenaktivmaterialien zu einer schnellen Degradation führen würden.Due to the GC coating, the active material according to the invention forms a very stable SEI with high protection against decomposition of the electrolyte and degradation of the active material, which at the same time enables a good kinetics with regard to the transfer of lithium ions between active material and electrolyte. As a result, the life of the cell can be improved, and it can also be used electrolyte solvents such as PC, which would lead to rapid degradation in conventional anode active materials.

Figurenlistelist of figures

  • 1 zeigt das Potentialprofil während der galvanostatischen Zyklisierung von GC bei 0,1C gemäß Referenzbeispiel 1. 1 shows the potential profile during the galvanostatic cyclization of GC at 0.1 C according to Reference Example 1.
  • 2 zeigt das entsprechende Potentialprofil für Graphit. 2 shows the corresponding potential profile for graphite.
  • 3 zeigt die spezifische Kapazität von GC im Zyklisierungstest gemäß Referenzbeispiel 2. 3 shows the specific capacity of GC in the cyclization test according to Reference Example 2.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

Im Folgenden werden die einzelnen Merkmale der vorliegenden Erfindung näher beschreiben.In the following, the individual features of the present invention will be described in more detail.

Die Ausdrücke „Anode“ und „negative Elektrode“ werden in der vorliegenden Beschreibung synonym verwendet, ebenso die Ausdrücke „Kathode“ und „positive Elektrode“.The terms "anode" and "negative electrode" are used synonymously in the present specification, as are the terms "cathode" and "positive electrode".

Die nachfolgend beschriebenen volumengemittelten Teilchendurchmesser beziehen sich jeweils auf die Primärteilchendurchmesser. Sie können beispielsweise durch Laserstreuung ermittelt werden, insbesondere gemäß ISO 13320.The volume-average particle diameters described below relate in each case to the primary particle diameters. They can be determined, for example, by laser scattering, in particular according to ISO 13320.

Aktivmaterialactive material

Erfindungsgemäß einsetzbare Anoden-Aktivmaterialien sind nicht speziell beschränkt, und können aus Kohlenstoffmaterialien außer GC, Legierungsbildnern und oxidische Konversionsmaterialien ausgewählt werden.Anode active materials usable in the invention are not particularly limited, and may be made of carbon materials other than GC, Alloy formers and oxidic conversion materials are selected.

Als Kohlenstoffmaterial kann beispielsweise Graphit wie Naturgraphit oder synthetischer Graphit, Hardcarbon oder Softcarbon eingesetzt werden. Vorzugsweise wird Graphit verwendet.For example, graphite such as natural graphite or synthetic graphite, hard carbon or soft carbon can be used as the carbon material. Preferably, graphite is used.

Graphit besitzt im Vergleich zu anderen Kohlenstoffmaterialien aufgrund der geordneten Schichtstruktur eine hohe Interkalationskapazität und ein niedriges Potential. Diese Eigenschaften bewirken einerseits eine hohe Energiedichte, doch andererseits können sie auch zu einer Anfälligkeit gegenüber Degradation (beispielsweise durch Co-Interkalation von Lösemittelbestandteilen wie PC) und zu einer Abscheidung von metallischem Lithium führen. Die vorliegende Erfindung kann diese Anfälligkeit abmildern, während die Vorteile erhalten bleiben, so dass der Einsatz von Graphit besonders bevorzugt ist.Due to the ordered layer structure, graphite has a high intercalation capacity and a low potential compared to other carbon materials. On the one hand, these properties cause a high energy density, but on the other hand, they can also lead to a susceptibility to degradation (for example by co-intercalation of solvent constituents such as PC) and to a deposition of metallic lithium. The present invention can mitigate this susceptibility while retaining the advantages, so that the use of graphite is particularly preferred.

Die volumengemittelte Teilchengröße beträgt im Fall von Kohlenstoffmaterialien wie Graphit beispielsweise 50 µm oder weniger. Übliche Werte können vorzugsweise zwischen 0,01 und 20 pm, stärker bevorzugt zwischen 0,1 und 10 µm liegen.The volume-average particle size is 50 μm or less in the case of carbon materials such as graphite, for example. Typical values may preferably be between 0.01 and 20 μm, more preferably between 0.1 and 10 μm.

Legierungsbildner sind Elemente wie Si, Sn, Zn oder P, vorzugsweise Si, die mit Lithium reversibel Legierungen bilden können. Durch Legierungsbildung wird im Vergleich zu den Interkalationsmaterialien auf Kohlenstoffbasis eine stöchiometrisch deutlich höhere Aufnahmekapazität für Lithium erreicht. Folglich sind Legierungsbildner im Hinblick auf die Energiedichte vorteilhaft. Allerdings führt diese hohe Aufnahmekapazität auch zu großen Volumendifferenzen zwischen dem lithiierten und dem delithiierten Zustand, was während der Zyklisierung zu mechanischen Belastungen der Elektrodenstruktur und zu Beschädigungen und Ablösungen der SEI führen kann. Auch hier kann die erfindungsgemäße GC-Beschichtung dieses Risiko abmildern und die SEI stabilisieren. Im Hinblick auf das Risiko mechanischer Spannungen aufgrund der Volumenänderung sind im Fall von Legierungsbildnern geringere Teilchengrößen von 20 µm oder weniger bevorzugt, vorzugsweise 0,01 bis 10 µm, insbesondere 0,05 bis 5 µm.Alloy formers are elements such as Si, Sn, Zn or P, preferably Si, which can reversibly form alloys with lithium. Alloying provides a stoichiometrically significantly higher lithium uptake capacity than the carbon based intercalation materials. Consequently, alloy formers are advantageous in terms of energy density. However, this high absorption capacity also leads to large volume differences between the lithiated and the delithiated state, which during the cyclization can lead to mechanical stresses on the electrode structure and to damage and detachment of the SEI. Again, the GC coating according to the invention can mitigate this risk and stabilize the SEI. With regard to the risk of mechanical stresses due to the volume change, in the case of alloying agents, smaller particle sizes of 20 μm or less are preferred, preferably 0.01 to 10 μm, in particular 0.05 to 5 μm.

Eine Möglichkeit zum Abfangen der großen Volumenänderung bei der Zyklisierung ist der Einsatz von Verbundmaterialien aus einem Legierungsbildner und einem weicheren Kohlenstoffmaterial wie Graphit oder Softcarbon, von dem man annimmt, dass es als Puffer fungiert. Solche Verbundmaterialien, beispielsweise Si/C, können erfindungsgemäß ebenfalls eingesetzt werden. Im Fall derartiger Verbundmaterialien kann die Teilchengröße des agglomerierten Verbund-Teilchens die gleiche sein wie bei reinen Kohlenstoff-Aktivmaterialien. Die Teilchengröße der im Verbund-Teilchen enthaltenen Primärteilchen des Legierungsbildners ist hingegen deutlich kleiner.One way to overcome the large volume change in cyclization is to use composite materials of an alloying agent and a softer carbon material, such as graphite or soft carbon, which is believed to act as a buffer. Such composite materials, for example Si / C, can likewise be used according to the invention. In the case of such composite materials, the particle size of the agglomerated composite particle may be the same as that of pure carbon-active materials. The particle size of the primary particles of the alloying agent contained in the composite particles, however, is significantly smaller.

Konversionsmaterialien wie z.B. solche des Typs MO, M3O4 oder MM‘ 2O4, worin M und M‘ jeweils ein Übergangsmetall darstellen, wie beispielsweise FeO, Fe3O4 und FeMn2O4, oder SnO2 kommen ebenfalls in Betracht. In einem solchen Konversionsmaterial geht die Lithiierung mit einer Konversionsreaktion einher, in der das Metall reduziert wird, gegebenenfalls bis zur Oxidationsstufe null, und Lithiumoxid gebildet wird. Der stöchiometrische Lithiumanteil ist wiederum größer als bei den Interkalationsmaterialien, was hohe Energiedichten ermöglicht, aber auch große Volumendifferenzen zwischen lithiierter und delithiierter Phase zur Folge hat. Außerdem ist die Konversionsreaktion im Allgemeinen mit größeren Umwandlungen der Phasen- und Kristallstruktur und damit einhergehenden Atomumlagerungen verbunden, was zu einer verlangsamten Kinetik führt.Conversion materials such as those of the type MO, M 3 O 4 or MM ' 2 O 4 , wherein M and M' are each a transition metal, such as FeO, Fe 3 O 4 and FeMn 2 O 4 , or SnO 2 are also contemplated , In such a conversion material, lithiation involves a conversion reaction in which the metal is reduced, optionally to zero oxidation state, and lithium oxide is formed. The stoichiometric lithium content is again greater than that of the intercalation materials, which allows for high energy densities but also results in large volume differences between lithiated and delithiated phases. In addition, the conversion reaction is generally associated with major phase and crystal structure conversions and concomitant atom rearrangements, resulting in slower kinetics.

Aus diesem Grund ist die Teilchengröße des Konversionsaktivmaterials vorzugsweise klein, beispielsweise 20 µm oder weniger, bevorzugt 0,01 bis 10 pm, insbesondere 0,05 bis 5 µm.For this reason, the particle size of the conversion active material is preferably small, for example, 20 μm or less, preferably 0.01 to 10 μm, especially 0.05 to 5 μm.

Ähnlich wie bei den Legierungsbildnern kann es auch bei den Konversionsaktivmaterialien von Vorteil sein,
Verbundmaterialien einzusetzen, insbesondere mit einem Kohlenstoff-Aktivmaterial wie Graphit, Graphen oder Softcarbon, um die Reaktionskinetik und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern sowie die durch die Strukturumwandlungen des Konversionsmaterials verursachten mechanischen Spannungen abzufangen. Die Teilchengröße des agglomerierten Verbundmaterialteilchens kann wiederum vorzugsweise im gleichen Bereich liegen wie bei reinen Kohlenstoff-Aktivmaterialien; die Primärteilchengröße der im Verbundmaterial enthaltenen Konversionsmaterialpartikel ist hingegen vorzugsweise deutlich kleiner.
Similar to the alloying agents, it may also be beneficial for the conversion active materials
To use composite materials, in particular with a carbon-active material such as graphite, graphene or soft carbon, to improve the reaction kinetics and the electrical conductivity and to absorb the mechanical stresses caused by the structural transformations of the conversion material. Again, the particle size of the agglomerated composite particle may preferably be in the same range as pure carbon-active materials; the primary particle size of the conversion material particles contained in the composite material, however, is preferably much smaller.

GC-BeschichtungGC-coating

Erfindungsgemäß ist das Aktivmaterial mit einer Schicht aus Glaskohlenstoff (Glassy Carbon, GC) überzogen.According to the invention, the active material is coated with a layer of glassy carbon (Glassy Carbon, GC).

GC wird im Allgemeinen durch Pyrolyse bzw. Karbonisieren von Polymeren hergestellt. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann beispielsweise durch Aufbringen einer Polymerbeschichtung auf das Aktivmaterial als Precursor, gefolgt von Pyrolyse, erhalten werden. Geeignete Verfahren zur Herstellung von Glaskohlenstoffbeschichtungen sind beispielsweise in US 3,854,979 und US 4,816,338 beschrieben.GC is generally produced by pyrolysis or carbonization of polymers. The coating according to the invention can be obtained, for example, by applying a polymer coating to the active material as precursor, followed by pyrolysis. Suitable processes for the preparation of vitreous carbon coatings are, for example, in US 3,854,979 and US 4,816,338 described.

US 3,854,979 betrifft die Aufbringung von GC-Schichten auf medizinische Implantate aus Kohlenstoff oder Keramik. Das darin offenbarte Verfahren umfasst das Erhitzen und partielle Pyrolysieren eines Precursor-Polymermaterials, ausgewählt aus halogenierten Polymeren wie PVC und natürlichen organischen Materialien wie Petroleum-Pech, um ein pechartiges Material mit der ungefähren Formel CnHn zu erhalten, Mischen des pechartigen Materials mit einem aromatischen Lösungsmittel, um eine Aufschlämmung zu erhalten, Beschichten des Substrats mit der Aufschlämmung, und Brennen des Substrats. US 4,816,338 beschreibt ein ähnliches Verfahren speziell zur Beschichtung von Graphit. US 3,854,979 concerns the application of GC layers to medical implants made of carbon or ceramic. The process disclosed therein involves heating and partially pyrolyzing a precursor polymer material selected from halogenated polymers such as PVC and natural organic materials such as petroleum pitch to obtain a pitch-like material having the approximate formula C n H n , mixing the pitch-like material an aromatic solvent to obtain a slurry, coating the substrate with the slurry, and firing the substrate. US 4,816,338 describes a similar process especially for the coating of graphite.

Die karbonisierbaren Precursor-Polymere sind erfindungsgemäß nicht speziell beschränkt. Einerseits kommen duroplastische Harze in Betracht, beispielsweise auf Basis aromatischer Verbindungen wie z.B phenolische Harze wie Phenol/Formaldehyd-Harze, Harze auf Basis von Furfurylalkohol oder ähnliche. Weiterhin können auch Vinyl- oder Acrylpolymere wie z.B. Polyacrylnitril oder Polyvinylchlorid verwendet werden.The carbonizable precursor polymers according to the invention are not particularly limited. On the one hand thermosetting resins are suitable, for example based on aromatic compounds such as phenolic resins such as phenol / formaldehyde resins, resins based on furfuryl alcohol or the like. Furthermore, vinyl or acrylic polymers such as e.g. Polyacrylonitrile or polyvinyl chloride can be used.

Das erfindungsgemäße Aktivmaterial kann erhalten werden, indem die Partikel des Aktivmaterials zunächst mit dem Precursor-Polymer beschichtet werden, beispielsweise durch Imprägnieren mit einer Polymerlösung oder einer Aufschlämmung, gegebenenfalls gefolgt von einer weiteren Vernetzung der Polymerschicht. Anschließend wird das so beschichtete Aktivmaterial gegebenenfalls getrocknet und entgast, und schließlich karbonisiert, um eine GC-Schicht zu bilden.The active material according to the invention can be obtained by first coating the particles of the active material with the precursor polymer, for example by impregnation with a polymer solution or a slurry, optionally followed by further crosslinking of the polymer layer. Subsequently, the thus coated active material is optionally dried and degassed, and finally carbonized to form a GC layer.

Die Karbonisierung kann in mehreren Stufen erfolgen, beispielsweise in einer ersten Stufe bei etwa 500 bis 800°C, um Wasserstoff, Wasser oder Halogen zu eliminieren, und einer zweiten Stufe bei etwa 1000 bis 1400°C, um die in der ersten Stufe gebildeten, typischerweise weitgehend aromatischen Kohlenwasserstoffstrukturen weiter zu kondensieren. Die Temperatur und die Zeitspanne der Karbonisierung können in Abhängigkeit von der Art das Precursor-Polymers und des Aktivmaterials geeignet gewählt werden. Die Höchsttemperatur kann gegebenenfalls durch die Stabilität und den Schmelzpunkt des Aktivmaterials beschränkt sein. Die Karbonisierung kann unter reduzierten Druck und/oder Inertgasatmosphäre durchgeführt werden.The carbonization can be carried out in several stages, for example in a first stage at about 500 to 800 ° C to eliminate hydrogen, water or halogen, and a second stage at about 1000 to 1400 ° C to those formed in the first stage, typically to further condense largely aromatic hydrocarbon structures. The temperature and the time of carbonization may be suitably selected depending on the kind of the precursor polymer and the active material. The maximum temperature may optionally be limited by the stability and melting point of the active material. The carbonization can be carried out under reduced pressure and / or inert gas atmosphere.

Die erfindungsgemäße Beschichtung stellt bereits bei geringen Schichtdicken im nm-Bereich eine sehr gute Schutzwirkung bereit. Im Hinblick auf hohe Energiedichte und gute Kinetik ist daher die Schichtdicke vorzugsweise 1000 nm oder weniger, stärker bevorzugt 500 nm oder weniger, insbesondere 5 bis 250 nm, stärker bevorzugt 10 bis 100 nm. Schichtdicken in diesem Bereich können durch geeignete Wahl der Konzentration des Precursorpolymers bzw. des Mengenverhältnisses von Aktivmaterial zu Precursorpolymer eingestellt werden.The coating according to the invention provides a very good protective effect even at low layer thicknesses in the nm range. In view of high energy density and good kinetics, therefore, the layer thickness is preferably 1000 nm or less, more preferably 500 nm or less, especially 5 to 250 nm, more preferably 10 to 100 nm. Layer thicknesses in this range can be determined by suitably selecting the concentration of the precursor polymer or the quantitative ratio of active material to precursor polymer can be adjusted.

Die Schichtdicke kann anhand der spezifischen Oberfläche des Aktivmaterials und der aufgebrachten Beschichtungsmenge berechnet werden, oder sie kann z.B. durch Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS), Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS)) oder mittels Focused-Ion-Beam- (FIB)-Mikroskopie bestimmt werden.The layer thickness may be calculated from the specific surface area of the active material and the applied coating amount, or it may be e.g. by secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)) or Focused Ion Beam (FIB) microscopy.

Elektroden und ZellenElectrodes and cells

Die erfindungsgemäße Anode entspricht abgesehen vom Einsatz des GC-beschichteten Aktivmaterials weitestgehend einer entsprechenden herkömmlichen Anode.Apart from the use of the GC-coated active material, the anode according to the invention largely corresponds to a corresponding conventional anode.

Die Herstellung kann beispielsweise durch ein an sich bekanntes Slurry-Beschichtungsverfahren erfolgen. Dabei wird eine Aufschlämmung des Aktivmaterials, gegebenenfalls in Kombination mit einem Bindemittel wie Vinylidenfluorid (PVdF), in einem geeigneten Lösungsmittel auf einen Stromkollektor aufgebracht und getrocknet. Falls nötig, kann ein Leitfähigkeitszusatz wie Leitruß zugegeben werden, um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. Als Stromkollektor wird typischerweise Kupferfolie eingesetzt.The preparation can be carried out for example by a known slurry coating method. In this case, a slurry of the active material, optionally in combination with a binder such as vinylidene fluoride (PVdF), applied in a suitable solvent to a current collector and dried. If necessary, a conductivity additive such as conductive carbon black may be added to improve electrical conductivity. The current collector is typically copper foil.

Um den Ionenaustausch mit dem Elektrolyten zu verbessern und Puffervolumen zum Abfangen der Volumenänderung des Aktivmaterials bei der Zyklisierung bereitzustellen, weist die Elektrode typischerweise eine poröse Struktur auf. Die verbleibende Porosität der Elektrode im maximal lithiierten Zustand kann beispielsweise 10-20 % betragen.In order to improve the ion exchange with the electrolyte and to provide buffer volume for intercepting the volume change of the active material upon cyclization, the electrode typically has a porous structure. The remaining porosity of the electrode in the maximum lithiated state, for example, be 10-20%.

Die erfindungsgemäße Anode kann auf eine an sich bekannte Weise in Lithiumionenzellen mit nichtwässrigem Elektrolyten eingesetzt werden. Durch die GC-Beschichtung des Aktivmaterials wird dabei eine sehr stabile SEI mit guter Passivierungswirkung erhalten, und es können niedrige Überspannungen und hohe Austauschraten für Li+ erreicht werden. Diese Vorteile sind zudem nicht mit übermäßigen Kompromissen im Hinblick auf die Elektrolytzusammensetzung verbunden. Da GC die Co-Interkalation von PC wirksam inhibiert, ist es erfindungsgemäß möglich, Elektrolyte mit vergleichsweise hoher PC-Konzentration einzusetzen, um hohe Leitsalzkonzentrationen und gleichzeitig gute Tieftemperatureigenschaften zu erreichen, und dabei das Degradierungsrisiko gering zu halten.The anode according to the invention can be used in a manner known per se in lithium-ion cells with nonaqueous electrolyte. The GC coating of the active material gives a very stable SEI with good passivation effect, and low overvoltages and high exchange rates for Li + can be achieved. In addition, these advantages are not associated with excessive compromises in terms of electrolyte composition. Since GC effectively inhibits the co-intercalation of PC, it is possible according to the invention to use electrolytes with a comparatively high PC concentration in order to achieve high conductive salt concentrations and at the same time good low-temperature properties, while keeping the risk of degradation low.

Insbesondere kann erfindungsgemäß auch reines PC als Elektrolytlösungsmittel eingesetzt werden, was die Elektrolytherstellung vereinfacht. EC ist nicht erforderlich, doch können optional bis zu 10 Gew.%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittels, an EC vorhanden sein. Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für den Einsatz bei tiefen Temperaturen, können gegebenenfalls bis zu 25 Massen% an linearen Carbonaten wie DMC, DEC oder EMC zugegeben werden. Weiterhin können auch geringe Mengen von bis zu 5 Gew.%, vorzugsweise bis zu 3 Gew.% an weiteren Additiven enthalten sein. Als Additive können insbesondere SEI-Filmbildner wie Vinylethylencarbonat (VEC), Vinylencarbonat (VC) oder Fluorethylencarbonat (FEC), die bei der Formierung polymerisieren, um die SEI-Bildung zu begünstigen, zugegeben werden. Als Leitsalz kann beispielsweise LiPF6 in einer Konzentration von etwa 1,0 bis 1,2 mol/l eingesetzt werden.In particular, according to the invention, pure PC can also be used as the electrolyte solvent, which simplifies the production of electrolytes. EC is not required, but can optionally up to 10 % By weight, based on the total weight of the solvent, of EC. For certain applications, for example for use at low temperatures, optionally up to 25% by mass of linear carbonates such as DMC, DEC or EMC may be added. Furthermore, small amounts of up to 5% by weight, preferably up to 3% by weight, of further additives may also be present. In particular, SEI film formers such as vinyl ethylene carbonate (VEC), vinylene carbonate (VC) or fluoroethylene carbonate (FEC), which polymerize upon formation to promote SEI formation, may be added as additives. As conductive salt, for example, LiPF 6 can be used in a concentration of about 1.0 to 1.2 mol / l.

BeispieleExamples

Referenzbeispiel 1Reference Example 1

Um die unterschiedlichen Eigenschaften von Glaskohlenstoff (GC)und Graphit zu verifizieren, wurden zunächst Referenzversuche mit reinem GC im Vergleich zu Graphitpulver durchgeführt.In order to verify the different properties of glassy carbon (GC) and graphite, first reference tests were carried out with pure GC compared to graphite powder.

Hierzu wurde GC-Pulver (erhältlich von Sigma-Aldrich, sphärisch mit 2-12 µm Durchmesser, gaußförmige Größenverteilung mit gemessenem Maximum bei 6,5 pm) bzw. Graphitpulver (MAG-D20, erhältlich von Hitachi Chemical) mit 2 Gew.% CMC/SBR als Bindemittel und 2 Gew.% Super-C64-Kohlenstoff (Timcal) als Leitfähigkeitszusatz in demineralisiertem Wasser dispergiert, um eine Aufschlämmung („Slurry“) herzustellen. Die Aufschlämmung wurde auf Kupferfolie (10 µm dick) in einer Menge von etwa 7 mg/cm2, bezogen auf die Festsubstanz, aufgebracht, vorgetrocknet und bis zu einer Porosität von etwa 35% kalandriert. Anschließend wurden Test-Elektroden ausgestanzt und im Vakuum-Ofen 12 Stunden bei 120°C getrocknet.To this was added GC powder (available from Sigma-Aldrich, spherical with 2-12 μm diameter, Gaussian size distribution with measured maximum at 6.5 pm) or graphite powder (MAG-D20, available from Hitachi Chemical) with 2 wt% CMC / SBR as a binder and 2 wt% super-C64 carbon (Timcal) as a conductivity additive dispersed in demineralized water to make a slurry. The slurry was applied to copper foil ( 10 μm thick) in an amount of about 7 mg / cm 2 , based on the solid substance, pre-dried and calendered to a porosity of about 35%. Subsequently, test electrodes were punched out and in a vacuum oven 12 Hours dried at 120 ° C.

Die Elektroden wurden in Labor-Halbzellen (Swagelok Typ T-Zellen mit Cellgard 2325 PP/PE-Separator) eingebracht. Als Gegenelektrode wurde Lithiumfolie verwendet, und als Elektrolyt wurde EC:EMC 3:7 mit 2 Gew.% VC und 1 M LiPF6 eingesetzt. Die Formierung und Zyklisierung wurde mit einem Labor-Zellentestgerät (Maccor Serie 4200) durchgeführt. Hierzu wurden die Elektroden mit einem Strom von 0,1C lithiiert bzw. delithiiert.The electrodes were grown in laboratory half cells (Swagelok type T cells with Cellgard 2325 PP / PE separator) introduced. Lithium foil was used as the counterelectrode and the electrolyte used was EC: EMC 3: 7 with 2% by weight of VC and 1 M of LiPF 6 . The formation and cyclization was performed with a laboratory cell tester (Maccor series 4200 ) carried out. For this purpose, the electrodes were lithiated or delithiated with a current of 0.1C.

1 zeigt das Ergebnis für GC. Wie anhand der Kurven ersichtlich besitzt GC eine vergleichsweise geringe Kapazitätsdichte von etwa 110 mAh/g und ein relativ stark von der Beladung abhängiges Potential von durchschnittlich 0,4 V gegenüber Li. Dafür liegen die Kurven eng beisammen, was eine geringe Überspannung und damit hohe Reaktionskinetik anzeigt. 1 shows the result for GC. As can be seen from the curves, GC has a comparatively low capacitance density of about 110 mAh / g and a relatively heavily load-dependent potential of 0.4 V on average compared to Li. The curves are close together, which results in low overpotential and thus high reaction kinetics displays.

Im Vergleich dazu hat Graphit, wie in 2 zu sehen, eine hohe Kapazitätsdichte von etwa 350 mAh/g und ein im Durchschnitt niedrigeres, über weite Beladungsbereiche relativ konstantes Potential gegenüber Li von etwa 0,2 V. Andererseits ist der Abstand zwischen Lade- und Entladekurve größer als bei GC, was eine höhere Überspannung und eine langsamere Reaktionskinetik anzeigt.By comparison, graphite has, as in 2 On the other hand, the distance between charge and discharge curve is greater than GC, which is a higher Indicates overvoltage and a slower reaction kinetics.

Referenzbeispiel 2Reference Example 2

Um die Langzeitstabilität von GC zu untersuchen, wurde die in Referenzbeispiel 1 beschriebene GC-Elektrode nach der Formierung (4 Zyklen bei 0,1C) einer Zyklisierung mit einem Strom von 1C unterzogen. 3 zeigt als Ergebnis die Kapazität in Abhängigkeit von der Zyklenzahl. Es ist ersichtlich, dass der Kapazitätsverlust nach 400 Zyklen nur etwa 1,7% beträgt. Dies lässt eine Lebensdauer (80% SOH) von über 4000 Zyklen erwarten, was außerordentlich hoch ist.In order to investigate the long-term stability of GC, the GC electrode described in Reference Example 1 after the formation (FIG. 4 Cycles at 0.1C) undergo cyclization with a current of 1C. 3 shows as a result the capacity as a function of the number of cycles. It can be seen that the capacity loss after 400 cycles is only about 1.7%. This suggests a lifetime (80% SOH) of over 4000 cycles, which is extremely high.

Diese Ergebnisse zeigen, dass GC bei der Zyklisierung sehr stabil ist und nur geringe Degradationserscheinungen zeigt.These results show that GC is very stable in cyclization and shows little degradation phenomena.

Da die SEI den Hauptgrund für die Alterung von Anodenhalbzellen darstellt, ist daraus zu folgern, dass GC eine sehr stabile SEI aufweist.Since the SEI represents the main reason for the aging of anode half-cells, it can be concluded that GC has a very stable SEI.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 3854979 [0032, 0033]US 3854979 [0032, 0033]
  • US 4816338 [0032, 0033]US 4816338 [0032, 0033]

Claims (8)

Beschichtetes Aktivmaterial für die negative Elektrode einer Lithiumionenzelle, umfassend: - ein Anoden-Aktivmaterial, - eine Beschichtung aus Glaskohlenstoff (GC).A coated negative electrode active material of a lithium ion cell, comprising: an anode active material, a coating of glassy carbon (GC). Beschichtetes Aktivmaterial gemäß Anspruch 1, wobei das Anoden-Aktivmaterial ein Kohlenstoff-Aktivmaterial ausgewählt aus Graphit, Hard Carbon und Soft Carbon, ein Legierungsbildner auswählt aus Si, Sn, Zn und P, ein Konversionsmaterial ausgewählt aus FeO, Fe3O4 und FeMn2O4 und SnO2, oder ein Verbundmaterial aus ein oder mehreren der vorgenannten Aktivmaterialien ist.Coated active material according to Claim 1 wherein the anode active material comprises a carbon active material selected from graphite, hard carbon and soft carbon, an alloy former selected from Si, Sn, Zn and P, a conversion material selected from FeO, Fe 3 O 4 and FeMn 2 O 4 and SnO 2 , or a composite material of one or more of the aforementioned active materials. Beschichtetes Aktivmaterial gemäß Anspruch 2, wobei das Anoden-Aktivmaterial aus Kohlenstoff-Aktivmaterialien und Verbund-Aktivmaterialien aus Kohlenstoff-Aktivmaterialien mit einem Legierungsbildner oder einem Konversions-Aktivmaterial ausgewählt ist, und der volumengemittelte Durchmesser zwischen 0,01 und 20 µm liegt.Coated active material according to Claim 2 wherein the anode active material is selected from carbon active materials and composite active materials made of carbon active materials with an alloy former or a conversion active material, and the volume average diameter is between 0.01 and 20 μm. Beschichtetes Aktivmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schichtdicke der GC-Beschichtung 5 bis 1000 nm beträgt.Coated active material according to any one of Claims 1 to 3 , wherein the layer thickness of the GC coating is 5 to 1000 nm. Beschichtetes Aktivmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die GC-Beschichtung durch Aufbringen einer Precursor-Schicht aus einem karbonisierbaren Polymer auf das Anoden-Aktivmaterial, gefolgt von Karbonisierung, erhältlich ist.Coated active material according to any one of Claims 1 to 4 wherein the GC coating is obtainable by applying a precursor layer of a carbonizable polymer to the anode active material followed by carbonization. Negative Elektrode für eine Lithiumionenzelle, die das Aktivmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie einen Stromkollektor umfasst.A negative electrode for a lithium ion cell comprising the active material according to any one of Claims 1 to 5 and a current collector. Lithiumionenzelle mit nichtwässrigem Flüssigelektrolyt, die die negative Elektrode gemäß Anspruch 6 umfasst.Lithium-ion cell with non-aqueous liquid electrolyte, the negative electrode according to Claim 6 includes. Lithiumionenzelle gemäß Anspruch 7, worin der Flüssigelektrolyt ein Leitsalz und ein Lösungsmittel umfasst, wobei das Lösungsmittel die folgenden Bestandteile umfasst, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittels: - bis zu 10% Ethylencarbonat; - bis zu 25% an linearen Carbonaten, ausgewählt aus Diethylcarbonat, Dimethylcarbonat, Methylethylcarbonat und einer Mischung daraus; - bis zu 5% an Additiven zur Begünstigung der SEI-Bildung, ausgewählt aus Vinylethylencarbonat, Vinylencarbonat, Fluorethylencarbonat und einer Mischung daraus; und - als Restbetrag Propylencarbonat.Lithium ion cell according to Claim 7 in which the liquid electrolyte comprises a conducting salt and a solvent, the solvent comprising the following constituents, in each case based on the total weight of the solvent: - up to 10% of ethylene carbonate; up to 25% of linear carbonates selected from diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate and a mixture thereof; up to 5% of additives to promote SEI formation selected from vinyl ethylene carbonate, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate and a mixture thereof; and - the balance of propylene carbonate.
DE102016225312.3A 2016-12-16 2016-12-16 Anode active material with glassy carbon coating Pending DE102016225312A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016225312.3A DE102016225312A1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Anode active material with glassy carbon coating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016225312.3A DE102016225312A1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Anode active material with glassy carbon coating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102016225312A1 true DE102016225312A1 (en) 2018-06-21

Family

ID=62250990

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016225312.3A Pending DE102016225312A1 (en) 2016-12-16 2016-12-16 Anode active material with glassy carbon coating

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102016225312A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3854979A (en) 1972-06-29 1974-12-17 Aerospace Corp Process for applying glassy carbon coatings
US4816338A (en) 1986-06-10 1989-03-28 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Glassy carbon-coated article
US5908715A (en) * 1997-05-30 1999-06-01 Hughes Electronics Corporation Composite carbon materials for lithium ion batteries, and method of producing same
US20140272592A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Energ2 Technologies, Inc. Composite carbon materials comprising lithium alloying electrochemical modifiers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3854979A (en) 1972-06-29 1974-12-17 Aerospace Corp Process for applying glassy carbon coatings
US4816338A (en) 1986-06-10 1989-03-28 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Glassy carbon-coated article
US5908715A (en) * 1997-05-30 1999-06-01 Hughes Electronics Corporation Composite carbon materials for lithium ion batteries, and method of producing same
US20140272592A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Energ2 Technologies, Inc. Composite carbon materials comprising lithium alloying electrochemical modifiers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2573845B1 (en) Structural active material for battery electrodes
EP2896082A1 (en) Alkali metal-chalcogen battery having low self-discharge and high cycle life and performance
DE102014202180A1 (en) Electrolyte compositions for lithium-sulfur batteries
DE102016221172A1 (en) Optimized hybrid supercapacitor
DE102013111853A1 (en) Carbon-coated lithium sulfide
DE102020131001A1 (en) BINDER SOLUTION WITH LITHIUM-ION CONDUCTIVITY FOR SOLID STATE BATTERIES AND ELECTRODE SLUDGE WHICH HAS SUCH
DE102020114049A1 (en) ELECTROLYTE FOR LITHIUM METAL BATTERY, WHICH FORMS A STABLE FILM, AND THIS CONTAINED LITHIUM METAL BATTERY
WO2019086247A1 (en) Hybrid supercapacitor comprising lithium titanate doped with oxygen vacancies
DE102013209982A1 (en) Alkali metal-sulfur battery and method for its operation
EP3635807B1 (en) Electrolyte for an alkali metal-sulfur-battery, alkali metal-sulfur-battery containing the same, and use of the electrolyte
WO2017118570A1 (en) Electrolyte, and battery cell containing same
DE102016225312A1 (en) Anode active material with glassy carbon coating
DE102019133169A1 (en) ELECTROLYTE FOR LITHIUM SECONDARY BATTERY AND LITHIUM SECONDARY BATTERY CONTAINING IT
DE102020125819A1 (en) METHOD FOR CONTROLLING THE FORMATION OF MULTI-LAYER CARBON COATINGS ON SILICON-CONTAINING ELECTROACTIVE MATERIALS FOR LITHIUM-ION BATTERIES
DE102008008483B4 (en) Solid polymer electrolyte material, solid polymer electrolyte sheet and methods for their production and electrochemical battery device using such a sheet
DE102018212889A1 (en) Composite materials conducting lithium ions and their production and their use in electrochemical cells
DE102011003016A1 (en) Electrode for lithium-ion batteries and their manufacture
DE102022206474B4 (en) Process for producing a silicon-carbon anode and silicon-carbon anode obtainable by the process
DE102007031477A1 (en) Electrolytes for electrochemical devices
DE102018201984B4 (en) Solid state battery with ion-conductive matrix of 2-adamantanone and use of 2-adamantanone as a solid matrix and / or component of a composite electrode
DE102016104210A1 (en) Use of trialkylsiloxy-based metal complexes as an additive in lithium-ion batteries
DE102022212142A1 (en) ELECTROLYTE SOLUTION FOR A LITHIUM SECONDARY BATTERY AND A LITHIUM SECONDARY BATTERY CONTAINING SAME
DE102022111512A1 (en) Method for producing a separator for a lithium-ion battery
DE102020119841A1 (en) Lithium ion battery and method of making such a lithium ion battery
DE102022100865A1 (en) Energy storage cells with fast charging and discharging capacities

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed