DE102017121250A1 - Leistungsfähige siziumelektroden mit verbesserter grenzflächenhaftung zwischen bindemittel, silizium und leitfähigen partikeln - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines negativen Elektrodenmaterials zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wie einer Lithium-Ionen-Batterie, werden bereitgestellt. Das elektroaktive Material enthält eine funktionalisierte Oberfläche mit einer gepfropften reaktiven Gruppe (z. B. eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe, eine Anhydridgruppe und dergleichen). Das elektrisch leitfähige Material enthält eine funktionalisierte Oberfläche mit einer gepfropften reaktiven Gruppe (z. B. eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe und dergleichen). Das funktionalisierte elektroaktive Material und das funktionalisierte elektrisch leitfähige Material werden mindestens einem Bindemittelvorläufer mit einer reaktiven Gruppe (z. B. einer Aminogruppe, einer Anhydridgruppe und dergleichen) beigemengt und umgesetzt. Ein poröses festes Elektrodenmaterial wird somit gebildet. Negative Elektroden sind ebenfalls vorgesehen, die signifikante Leistungsvorteile bieten und die mit der Kapazitätsabschwächung, der Abnahme der elektrochemischen Zellenleistung, der Rissbildung und der kurzen Lebensdauer verbundenen Probleme, die mit herkömmlichen Siliziumanodenmaterialien verbunden sind, verringern.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf leistungsfähige siliziumhaltige Elektroden für elektrochemische Lithium-Ionen-Vorrichtungen, bei denen die verbesserten siliziumhaltigen Elektroden Siliziumpartikel und elektrisch leitfähige Partikel umfassen, die für eine verbesserte und langfristige Grenzflächenadhäsion mit einem Bindemittel behandelt werden, um die Kapazitätsabschwächung zu verringern und die langfristige Leistung zu verbessern sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendung derartiger verbesserter siliziumhaltiger Elektroden.
  • HINTERGRUND
  • Der folgende Abschnitt bietet Hintergrundinformationen zur vorliegenden Offenbarung, wobei es sich nicht notwendigerweise um den Stand der Technik handelt.
  • Elektrochemische Zellen mit hoher Energiedichte, wie Lithium-Ionen-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, können in einer Vielzahl von Verbraucherprodukten und Fahrzeugen, wie Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEV) und Elektrofahrzeugen (EV), verwendet werden. Typische Lithium-Ionen-Batterien umfassen eine erste Elektrode (z. B. eine Kathode), eine zweite Elektrode mit entgegengesetzter Polarität (z. B. eine Anode), ein Elektrolytmaterial und einen Separator. Konventionelle Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien basieren auf dem umkehrbaren Durchleiten von Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode und wieder zurück. Ein Separator und ein Elektrolyt sind zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode angeordnet. Der Elektrolyt kann Lithium-Ionen leiten und kann in fester oder flüssiger Form vorliegen. Beim Laden der Batterie bewegen sich Lithium-Ionen aus einer Kathode (positive Elektrode) zu einer Anode (negative Elektrode) und beim Entladen der Batterie in der entgegengesetzten Richtung. Aus Gründen der Bequemlichkeit wird eine negative Elektrode synonym mit einer Anode verwendet, obwohl, wie von Fachleuten erkannt wird, während bestimmter Phasen des Lithium-Ionen-Zyklus die Anodenfunktion mit der positiven Elektrode und nicht mit der negativen Elektrode verbunden sein kann (z. B. kann die negative Elektrode bei der Entladung eine Anode und bei der Ladung eine Kathode sein).
  • In verschiedenen Aspekten beinhaltet eine Elektrode ein elektroaktives Material. Negative Elektroden umfassen typischerweise ein derartiges elektroaktives Material, das in der Lage ist, als ein Lithium-Wirtsmaterial zu funktionieren, das als ein negativer Anschluss einer Lithium-Ionen-Batterie dient. Negative Elektroden beinhalten typischerweise das elektroaktive Lithium-Wirtsmaterial und ein anderes elektrisch leitfähiges Material, wie Rußpartikel, sowie ein oder mehrere polymere Bindemittelmaterialien, um das Lithium-Wirtsmaterial und elektrisch leitfähige Partikel zusammenzuhalten.
  • Typische elektroaktive Materialien zur Bildung einer negativen Elektrode (z. B. eine Anode) in einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle beinhalten Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Verbindungen, Lithium-Zinn-Interkalationsverbindungen und Lithiumlegierungen. Während Graphitverbindungen am häufigsten vorkommen, sind seit kurzem Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität (gegenüber konventionellem Graphit) von wachsendem Interesse. So hat beispielsweise Silizium die höchste bekannte, theoretische Ladekapazität für Lithium und ist damit eine der attraktivsten Alternativen zu Graphit als negatives Elektrodenmaterial für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch weisen gegenwärtige Siliziumanodenmaterialien erhebliche Nachteile auf. Siliziumhaltige Materialien erleben während der Lithium-Insertion/Extraktion große Volumenänderungen (z. B. Volumenausdehnung/-kontraktion). Somit wird während des Zyklus von herkömmlichen siliziumhaltigen Elektroden häufig eine Rissbildung der negativen Elektrode (z. B. Anode), eine Abnahme der elektrochemischen zyklischen Leistung und ein großer Coulomb-Ladungskapazitätsverlust (Kapazitätsabschwächung) sowie eine extrem begrenzte Zykluslebensdauer beobachtet. Diese verminderte Leistung wird größtenteils aufgrund des Abbaus des physikalischen Kontakts zwischen Siliziumpartikeln und leitfähigen Füllstoffen, die durch die großen Volumenänderungen in der Elektrode während des Zyklus von Lithiumionen verursacht werden, vermutet.
  • Es wäre wünschenswert, negative, siliziumhaltige Hochleistungs-Elektrodenmaterialien zum Verwenden in leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, welche die aktuellen Schwächen überwinden, die eine weit verbreitete kommerzielle Verwendung insbesondere in Fahrzeuganwendungen verhindern. Für eine langfristige und effektive Verwendung müssten siliziumhaltige Anodenmaterialien und leitfähige Füllstoffe einen minimalen Kapazitätsschwund und eine optimale Ladekapazität für eine längerfristige Nutzung in Lithium-Ionen-Batterien haben.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dieser Teil stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine vollständige Offenbarung des vollen Schutzumfangs oder aller Merkmale.
  • In bestimmten Variationen stellt die vorliegende Offenbarung eine negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle, wie eine Lithium-Ionen-Batterie, bereit. In anderen Variationen stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Herstellen einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit. In einer Variante beinhaltet das Verfahren das Vermischen eines elektroaktiven Materials einschließlich Silizium mit einer ersten Oberfläche, die mit einer ersten reaktiven Gruppe funktionalisiert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon; ein elektrisch leitfähiges Material mit einer zweiten Oberfläche, die mit einer zweiten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist; und mindestens einen Bindemittelvorläufer mit einer dritten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon. Dann reagiert die dritte reaktive Gruppe auf dem mindestens einen Bindemittelvorläufer mit der ersten reaktiven Gruppe auf dem elektroaktiven Material und der zweiten reaktiven Gruppe auf dem elektrisch leitfähigen Material, um ein poröses festes Elektrodenmaterial zu bilden. Das poröse feste Elektrodenmaterial enthält ein polymeres Bindemittel, das mit dem elektroaktiven Material und dem elektrisch leitfähigen Material reagiert, um die negative Elektrode zu bilden.
  • In noch anderen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit. Die negative Elektrode enthält ein poröses festes Elektrodenmaterial, das ein elektroaktives Material einschließlich Silizium beinhaltet, mit einer ersten funktionalisierten Oberfläche mit einer ersten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon; und ein elektrisch leitfähiges Material mit einer zweiten funktionalisierten Oberfläche mit einer zweiten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon. Die erste funktionalisierte Oberfläche und die zweite funktionalisierte Oberfläche sind mit einem polymeren Bindemittel, einschließlich Polyimid, verbunden. Ein solches Bindemittel wird aus mindestens einem Bindemittelvorläufer gebildet, der mindestens eine dritte reaktive Gruppe aufweist, die eine Anhydridgruppe und/oder eine Aminogruppe enthält, die mit der ersten reaktiven Gruppe und/oder der zweiten reaktiven Gruppe reagieren kann. Nach der Reaktion ist die Grenzflächenhaftung zwischen dem elektroaktiven Material, dem elektrisch leitfähigen Material und dem polymeren Bindemittel stark und verbessert, unter anderen Vorteilen, die Zyklusleistung und verringert die Kapazitätsabschwächung. Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und speziellen Beispiele in dieser Kurzdarstellung dienen ausschließlich zum Veranschaulichen und sollen keinesfalls den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken.
  • ZEICHNUNGEN
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich dem Veranschaulichen ausgewählter Ausführungsformen und stellen nicht die Gesamtheit der möglichen Realisierungen dar und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Batteriezelle;
  • 2 ist eine ausführliche schematische Darstellung einer Elektrode mit einem elektroaktiven Material, einem leitfähigen Füllstoff und einem Bindemittel;
  • 3 zeigt eine exemplarische Reaktion zwischen einem funktionalisierten elektroaktiven Partikel, einem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Partikel und einem Bindemittelvorläufer, die miteinander verbunden sind, um eine poröse Elektrode zu bilden, die ein Matrixbindemittelmaterial enthält, das das elektroaktive Material umfasst; und
  • 4 zeigt die spezifische Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie mit einem Silizium enthaltenden Anodenmaterial, das in Übereinstimmung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehre über 70 Zyklen des Aufladens und Entladens hergestellt wurde.
  • 5 zeigt die spezifische Kapazität einer vergleichenden Lithium-Ionen-Batterie mit einem Silizium enthaltenden Anodenmaterial, das ohne Funktionalisierung der Oberfläche des elektroaktiven Materials und des elektrisch leitfähigen Materials hergestellt wurde.
  • Ähnliche Bezugszeichen geben in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen ähnliche Bauabschnitte an.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es werden exemplarische Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenbarung gründlich ist und den Fachleuten deren Umfang vollständig vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, wie etwa Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein tiefgreifendes Verständnis für die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleute werden erkennen, dass spezifische Details möglicherweise nicht erforderlich sind, dass exemplarische Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass keine der Ausführungsformen dahingehend ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In manchen exemplarischen Ausführungsformen sind wohlbekannte Verfahren, wohlbekannte Vorrichtungsstrukturen und wohlbekannte Techniken nicht ausführlich beschrieben.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient ausschließlich der Beschreibung bestimmter exemplarischer Ausführungsformen und soll in keiner Weise einschränkend sein. Die hier verwendeten Singularformen, z. B. „ein“, „der/die/das“, schließen ggf. auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht klar ausschließt. Die Begriffe „umfasst“, „beinhaltend“, „einschließlich“ und „hat“ sind nicht ausschließlich und geben daher das Vorhandensein der angegebenen Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Bauteile an, schließen aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von weiteren Funktionen, ganzheitlichen Einheiten, Schritten, Vorgängen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen hiervon aus. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass die beschriebene oder dargestellte Reihenfolge unbedingt erforderlich ist, sofern diese nicht spezifisch als Reihenfolge der Ausführung angegeben ist. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können.
  • Wenn Elemente oder Ebenen als „an/auf“, „in Verbindung mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer Ebene beschrieben werden, können sie entweder direkt mit anderen Elementen oder Ebenen in Verbindung stehen oder gekoppelt sein oder es können zwischenliegende Elemente oder Ebenen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegenzug als „direkt an/auf“, „direkt in Verbindung mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ anderen Elementen oder Ebenen beschrieben wird, sind ggf. keine zwischenliegenden Elemente oder Ebenen vorhanden. Andere Wörter, die zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sind in gleicher Weise zu verstehen (z. B. „zwischen“ und „direkt zwischen“, „angrenzend“ und „direkt angrenzend“ usw.). Der Begriff „und/oder“ schließt alle Kombinationen der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
  • Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hierin verwendet werden können um verschiedene Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Elemente, Komponenten, Regionen, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe beschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um ein Element, eine Komponente, Region, Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Bereich, Schicht oder Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe, wie „erste“, „zweite“, und andere Zahlenbegriffe, wenn hier verwendet, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies wird eindeutig durch den Kontext angegeben. Somit könnte ein weiter unten erörtertes erstes Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt als ein zweites Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der exemplarischen Ausführungsformen abzuweichen.
  • Raumbezogene Begriffe, wie „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hier zur besseren Beschreibung der Beziehung von einem Element oder einer Ausrüstung zu anderen Elementen oder Eigenschaften, wie in den Figuren dargestellt, verwendet werden. Räumlich relative Begriffe können bezwecken, unterschiedliche Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch oder Betrieb neben der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umspannen. Wird beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht, würden Elemente, die als „unterhalb“ von oder „unter“ anderen Elementen oder Eigenschaften beschrieben werden, dann „oberhalb” anderer Elemente oder Eigenschaften ausgerichtet sein. Daher kann der Beispielbegriff „unterhalb“ sowohl eine Orientierung von oberhalb als auch von unterhalb beinhalten. Die Vorrichtung kann anderweitig ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in andere Richtungen) und die hierin verwendeten räumlich bezogenen Schlagworte können dementsprechend interpretiert werden.
  • In dieser Offenbarung repräsentieren die nummerischen Werte grundsätzlich ungefähre Messwerte oder Grenzen von Bereichen, etwa kleinere Abweichungen von den bestimmten Werten und Ausführungsformen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche mit genau dem genannten Wert zu umfassen. Im Gegensatz zu den am Ende der ausführlichen Beschreibung bereitgestellten Anwendungsbeispielen sollen alle numerischen Werte der Parameter (z. B. Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation einschließlich der beigefügten Ansprüche in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ verstanden werden, egal ob oder ob nicht „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint. „Ungefähr“ weist darauf hin, dass der offenbarte numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit im Wert; ungefähr oder realistisch nahe am Wert; annähernd). Falls die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ bereitgestellt ist, in Fachkreisen nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verständlich ist, dann gibt „ungefähr“, wie hierin verwendet, zumindest Variationen an, die sich aus gewöhnlichen Messverfahren und der Verwendung derartiger Parameter ergeben. Darüber hinaus beinhaltet die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich den für die Bereiche angegebenen Endpunkten und Unterbereichen.
  • Wie hier verwendet werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Material“ synonym verwendet, um sich im breitesten Sinne auf eine Substanz zu beziehen, die mindestens die bevorzugte chemische Verbindung enthält, die jedoch auch zusätzliche Substanzen oder Verbindungen einschließlich Verunreinigungen enthalten kann.
  • Es werden nun exemplarische Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf leistungsfähige elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen (z. B. Lithium-Ionen-Batterien) mit verbesserten negativen Elektroden. In elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien beinhaltet die negative Elektrode typischerweise ein Lithium-Einlegematerial oder ein Legierungs-Wirtsmaterial. Wie oben erörtert, beinhalten herkömmliche elektrochemisch aktive Materialien zur Bildung einer Anode Lithium-Graphit-Interkalationsverbindungen, Lithium-Silizium-Verbindungen, Lithium-Zinn-Interkalationsverbindungen, Lithiumlegierungen. Während Graphitverbindungen am häufigsten verwendet werden, sind bestimmte Anodenmaterialien mit hoher spezifischer Kapazität (gegenüber konventionellem Graphit) von wachsendem Interesse. Silizium (Si) ist, aufgrund seiner hohen theoretischen Kapazität, als Anodenmaterial für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien eine attraktive Alternative zu Graphit. Jedoch wird während des Zyklus eine stark verminderte Coulombische Ladungskapazität (Kapazitätsabschwächung) beobachtet, teilweise als Ergebnis des Abbaus des physikalischen Kontakts zwischen Siliziummaterial und leitfähigen Füllstoffen, die durch die große Volumenänderung in der Elektrode verursacht werden (während der Ein- und Auslagerung bzw. Lithiierung und Delithiierung von Lithium-Ionen). Zusätzlich zu der Kapazitätsabschwächung und einer Abnahme der elektrochemischen zyklischen Leistung können die großen Volumenänderungen (z. B. Volumenausdehnung/-kontraktion) von siliziumhaltigen Materialien während der Lithiumeinlagerung/-auslagerung zu einer Rissbildung in der Anode und einer extrem begrenzten Zykluslebensdauer führen. Diese Herausforderung, insbesondere die Kapazitätsabschwächung bei siliziumbasierten Anoden, stellte ein Hindernis für ihre weitverbreitete Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien dar.
  • Die vorliegende Offenbarung bietet verbesserte Elektroden für eine elektrochemische Zelle, insbesondere verbesserte leistungsfähige negative Elektroden für elektrochemische Lithium-Ionen-Zellen. Die Elektrode umfasst ein Silizium umfassendes elektroaktives Material mit einer funktionalisierten Oberfläche und ein elektrisch leitfähiges Material mit einer funktionalisierten Oberfläche. Die Oberfläche von siliziumhaltigem elektroaktiven Materialien und die Oberfläche von elektrisch leitfähigen Materialien können mit einer reaktiven Gruppe, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf eine Carboxylgruppe, eine Aminogruppe und/oder eine Anhydridgruppe durch Reaktion mit Silanen, Oxidationsmitteln, Dianhydrid und/oder Diaminen, gepfropft werden, um die funktionalisierten Oberflächen zu erzeugen. Die funktionalisierte Oberfläche des Silizium umfassenden elektroaktiven Materials und die funktionalisierte Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials werden somit mit einem Bindemittel reagiert, um ein festes Elektrodenmaterial zu bilden. Das feste Elektrodenmaterial ist vorzugsweise porös. Eine solche negative Elektrode liefert signifikante Leistungsvorteile und verringert die Probleme in Verbindung mit Kapazitätsabschwächung, verminderter elektrochemischer Zellenleistung, Rissbildung und kurzer Lebensdauer, die mit herkömmlichen Siliziumanodenmaterialien verbunden sind. Die vorliegende Offenbarung betrachtet ferner Verfahren zur Herstellung solcher Elektroden.
  • Als Hintergrund können elektrochemische Zellen, insbesondere wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien, in Fahrzeug- oder anderen mobilen Anwendungen verwendet werden. Eine exemplarische und schematische Darstellung einer Lithium-Ionen-Batterie 20 ist in 1 dargestellt. Die Lithium-Ionen-Batterie 20 beinhaltet eine negative Elektrode 22, eine positive Elektrode 24 und einen Separator 30 (z. B. einen mikroporösen polymeren Separator), der zwischen den beiden Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 umfasst einen Elektrolyt 30, der auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorliegen kann. Ein negativer Elektroden-Stromabnehmer 32 kann an oder nahe der negativen Elektrode 22 angeordnet sein und ein positiver Elektroden-Stromabnehmer 34 kann an oder nahe der positiven Elektrode 24 positioniert sein. Der negative Elektroden-Stromabnehmer 32 und der positive Elektroden-Stromabnehmer 34 nehmen jeweils die Elektronen auf und transportieren die freien Elektronen zu einem und von einem externen Stromkreis 40 weg. Ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und Verbraucher 42 verbindet die negative Elektrode 22 (über deren Stromabnehmer 32) und die positive Elektrode 24 (über deren Stromabnehmer 34). Jede der negativen Elektrode 22, der positiven Elektrode 24 und des Separators 26 kann weiterhin den Elektrolyt 30 umfassen, der Lithium-Ionen leiten kann. Der Separator 26, die sowohl als elektrischer Isolator als auch zur mechanischen Unterstützung dient, ist zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 eingeschoben, um den physischen Kontakt zu verhindern und dadurch das Auftreten eines Kurzschlusses zu vermeiden. Zusätzlich zum Bereitstellen einer physikalischen Barriere zwischen den beiden Elektroden 22, 24 kann der Separator 26 einen minimalen Widerstandsweg für die interne Passage der Lithium-Ionen (und der zugehörigen Anionen) zum Erleichtern des Betriebs der Lithium-Ionen-Batterie 20 bereitstellen.
  • Die Lithium-Ionen-Batterie 20 kann während des Entladens einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die eintreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen wird (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 34 miteinander zu verbinden), wenn die negative Elektrode 22 eine relativ größere Menge von eingelagertem Lithium enthält. Die chemische Potenzialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die Elektronen, die durch die Oxidation des interkalierten Lithiums an der negativen Elektrode 22 entstehen, durch den externen Stromkreis 40 zur positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode gebildet werden, werden gleichzeitig durch den Elektrolyt 30 und die Trenneinrichtung 26 zur positiven Elektrode 24 überführt. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 fließen, und die Lithium-Ionen, die durch die Trenneinrichtung 26 im Elektrolyt 30 wandern, bilden an der positiven Elektrode 24 eingeschobenes Lithium. Der elektrische Strom, der durch den externen Stromkreis 18 fließt, kann genutzt und durch den Verbraucher 42 geleitet werden, bis das eingeschobene Lithium in der negativen Elektrode 22 aufgebraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 sinkt.
  • Die Batterie 20 kann durch Anschließen einer externen Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 zum Umkehren der elektroaktiven Reaktionen der Batterieentladung jederzeit wieder aufgeladen und nutzbar gemacht werden. Der Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithium-Ionen-Batterie 20 erzwingt die ansonsten nicht spontane Oxidation von interkaliertem Lithium an der positiven Elektrode 24, um Elektronen und Lithiumionen zu erzeugen. Die Elektronen, die durch den externen Stromkreis 40 zurück zur negativen Elektrode 22 fließen und die Lithium-Ionen, die durch den Elektrolyt 30 durch den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22 transportiert werden, verbinden sich wieder an der negativen Elektrode 22 und füllen diese wieder mit eingelagertem Lithium für den Verbrauch im nächsten Batterie-Entladezyklus auf. Die externe Stromquelle, die verwendet werden kann, um die Lithium-Ionen-Batterie 20 aufzuladen, kann in Größe, Konstruktion und spezieller Endanwendung der Lithium-Ionen-Batterie 20 variieren. Einige nennenswerte und exemplarische externe Quellen umfassen, sind jedoch nicht einschränkt auf eine Wechselstrom-Wandsteckdose und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs. In vielen Lithium-Ionen-Batterie-Konfigurationen werden der negative Stromabnehmer 32, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der positive Stromabnehmer 34 jeweils als relativ dünne Schichten hergestellt (beispielsweise einige Mikrometer oder ein Millimeter oder weniger in der Dicke) und in Schichten zusammengebaut, die in elektrischer Parallelschaltung miteinander verbunden werden, um ein geeignetes Energiepaket bereitzustellen.
  • Des Weiteren kann die Lithium-Ionen-Batterie 20 eine Vielzahl anderer Komponenten beinhalten, die, obwohl sie hier nicht dargestellt sind, Experten wohl bekannt sind. So kann beispielsweise die Lithium-Ionen-Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Endkappen und beliebige andere herkömmliche Komponenten oder Materialien beinhalten, die sich innerhalb der Batterie 20 einschließlich zwischen der oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 als nicht einschränkendes Beispiel befinden können. Wie vorstehend erwähnt können die Größe und Form der Lithium-Ionen-Batterie 20 variieren, je nach der besonderen Anwendung, für die sie ausgelegt ist. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Unterhaltungselektronikgeräte sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 wahrscheinlich eine andere Größe, Kapazität und Leistungsabgabe hätte. Die Lithium-Ionen-Batterie 20 kann auch mit anderen, ähnlichen Lithium-Ionen-Zellen oder -Batterien in Serie oder parallel geschaltet sein, um eine größere Spannungsabgabe und Leistungsdichte zu erzeugen, wenn dies für den Verbraucher 42 erforderlich ist.
  • Dementsprechend kann die Lithium-Ionen-Batterie 20 elektrischen Strom für einen Verbraucher 42 erzeugen, der operativ mit dem externen Stromkreis 40 verbunden sein kann. Der Verbraucher 42 kann vollständig oder teilweise durch den elektrischen Strom angetrieben werden, der durch den externen Stromkreis 40 durchgeleitet wird, wenn die Lithium-Ionen-Batterie 20 sich entlädt. Während der Verbraucher 42 eine beliebige Anzahl elektrisch angetriebener Vorrichtungen sein kann, beinhalten einige spezifische Beispiele stromverbrauchender Verbrauchervorrichtungen einen Elektromotor für ein Hybridfahrzeug oder für ein Elektroauto, einen Laptop-Computer, einen Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und ein schnurloses Elektrowerkzeug oder Haushaltsgeräte als nicht einschränkende Beispiele. Der Verbraucher 42 kann jedoch auch ein Gerät zur Energieerzeugung sein, mit dem die Lithium-Ionen-Batterie 20 zum Speichern der Energie aufgeladen werden kann.
  • Jeder geeignete Elektrolyt 30 kann, entweder in fester Form oder in Lösung, der die Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann die Elektrolytlösung eine wasserfreie, flüssige Elektrolytlösung sein, die ein Lithiumsalz beinhaltet, gelöst in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch aus organischen Lösungsmitteln. Zahlreiche konventionelle, nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösungen 30 können in der Lithium-Ionen-Batterie 20 verwendet werden. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige, flüssige Elektrolytlösung zu bilden, beinhaltet LiPF6, LiClO4, LiAlCl4, LiI, LiBr, LiSCN, LiBF4, LiB(C6H5)4, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2 und Kombinationen davon. Diese und ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, einschließlich, aber nicht einschränkt auf verschiedene Alkylcarbonate, wie zyklische Carbonate (Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC)), acyclische Carbonate (Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (1,2-Dimethoxyethan, 1,2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), cyclische Ether (Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran) und Gemische davon, gelöst werden.
  • Der Separator 30 kann in einer Ausführungsform einen mikroporösen, polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin umfasst. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzelnen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer von zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin eine beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen einschließlich solcher eines Blockcopolymers oder eines statistischen Copolymers. Desgleichen kann ein Polyolefin, das ein Heteropolymer ist, welches aus mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, ebenfalls ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer sein. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin ein Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus PE und PP sein.
  • Wenn der Separator 30 ein mikroporöser, polymerer Separator ist, kann er eine einzelne Schicht oder ein vielschichtiges Laminat sein, das entweder über einen trockenen oder einen nassen Prozess hergestellt wird. So kann beispielsweise in einer Ausführungsform eine einzelne Schicht des Polyolefins den gesamten mikroporösen polymeren Separator 30 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 30 eine faserförmige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen einander gegenüberliegenden Flächen erstrecken und kann beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel kann der mikroporöse polymere Separator 30 jedoch auch aus mehreren getrennten Schichten des gleichen oder eines nicht ähnlichen Polyolefins zusammengesetzt sein. Der mikroporöse polymere Separator 30 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere umfassen, wie zum Beispiel, jedoch nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder ein Polyamid. Die Schicht aus Polyolefin und beliebige andere gegebenenfalls vorhandene Polymerschichten können außerdem im mikroporösen polymeren Separator 30 als eine faserige Schicht enthalten sein, um den mikroporösen polymeren Separator 30 mit geeigneten Struktur- und Porositätscharakteristika auszustatten. Verschiedene gängige Polymere und kommerzielle Produkte zur Bildung des Separators 30 werden betrachtet sowie die vielen Herstellungsverfahren, die verwendet werden können, um einen solchen mikroporösen polymeren Separator 30 herzustellen.
  • Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis gebildet werden, bei dem eine Interkalation und Desinterkalation von Lithium in ausreichendem Maße möglich ist, wenn sie als Pluspol der Lithium-Ionen Batterie 20 dient. Die positive Elektrode 24 kann ebenfalls ein Polymerbindemittel beinhalten, um das Lithium-basierte aktive Material strukturell zusammenzuhalten. Eine exemplarische gemeinsame Klasse bekannter Materialien, die verwendet werden können, um die positive Elektrode 24 zu bilden, sind geschichtete Lithiumübergangsmetalloxide. So kann beispielsweise die positive Elektrode 24 in bestimmten Ausführungsformen mindestens ein Spinell umfassen umfassend ein Übergangsmetall, wie Lithiummanganoxid (Li(1+x)Mn(2-x)O4), worin 0 ≤ x ≤ 1, worin x typischerweise weniger als 0,15 ist einschließlich LiMn2O4, Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn(2-x)NixO4), worin 0 ≤ x ≤ 1 (z. B., LiMn1,5Ni0,5O4), Lithium-Kobaltoxid (LiCoO2), Lithiummanganoxid (LiMn2O4), Lithium-Nickeloxid (LiNiO2), ein Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid (Li(NixMnyCoz)O2), worin 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1, und x + y + z = 1 ist einschließlich LiMn0,33Ni0,33Co0,33O2, lithiumreicheres Nickel-Kobalt-Metalloxid (LiNi(1x-y) CoxMyO2), worin 0 < x < 1, y < 1 und M Al, Mn oder dergleichen sein kann, sonstige bekannte Lithiumübergangsmetalloxide oder -mischoxide, Lithiumeisenphosphate oder ein Lithiumeisen-Polyanionoxid wie zum Beispiel Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) oder Lithiumeisenfluorphosphat (Li2FePO4F). Solche aktiven Materialien können mit einem leitfähigen Füllstoffmaterial, wie Ruß oder Graphit und mindestens einem polymeren Bindemittel, vermischt werden. Aktive Materialien können mit anderen Komponenten schlämmgegossen werden, einschließlich Bindemittel, wie Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk, Polyacrylsäure (PAA) oder Carboxymethoxylcellulose (CMC). Der positive Stromabnehmer 34 kann aus Aluminium oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen.
  • In verschiedenen Aspekten beinhaltet die negative Elektrode 22 ein elektroaktives Material als ein Lithium-Wirtsmaterial, das als negativer Anschluss einer Lithium-Ionen-Batterie dienen kann. Unter Bezugnahme auf 2 beinhaltet eine zusammengesetzte negative Elektrode 100 ein Lithium-Wirtsmaterial oder aktive Materialien für negative Elektroden 110 und elektrisch leitende Materialien 120 sowie eine oder mehrere polymere Bindematerialien 130, um das Lithium-Wirtsmaterial strukturell zusammenzuhalten. Die elektrisch leitfähigen Materialien 120 können beliebige von denen sein, die in der Technik bekannt sind, einschließlich als nicht einschränkendes Beispiel Ruß, Kohlenstofffaser und Graphit. Solche aktiven Materialien für negative Elektroden 110 können mit dem elektrisch leitfähigen Füllmaterial 120 und mindestens einem polymeren Bindemittel 130 vermischt werden. Das polymere Bindemittel 130 ist an die aktiven Materialien für negative Elektroden 110 gebunden oder befestigt und das elektrisch leitfähige Füllmaterial 120 ist innerhalb der Elektrode positioniert. Die polymeres Bindemittel 130 erfüllt mehrere Rollen in einer Elektrode 100, einschließlich der Bereitstellung von: (i) elektronische und ionischer Leitfähigkeiten der Verbundelektrode, (ii) Elektrodenintegrität, z. B. die Integrität der Elektrode und ihrer Komponenten, sowie deren Haftung mit dem Stromabnehmer und (iii) Bildung der Festelektrolyt-Zwischenphase (SEI), die eine wichtige Rolle spielt, da die Kinetik der Lithium-Interkalation überwiegend durch die SEI bestimmt wird.
  • Viele Lithium-Ionen-Batterien können an Kapazitätsabschwächung leiden, die auf viele Faktoren zurückzuführen ist, einschließlich der Bildung eines passiven Films, der als Festelektrolyt-Zwischenphase(SEI)-Schicht bekannt ist, über der Oberfläche der negativen Elektrode (Anode), die oft durch Reaktionsprodukte des Anodenmaterials, Elektrolytreduktion und/oder Lithium-Ionen-Reduktion erzeugt wird. Die SEI-Schichtbildung spielt eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung des Elektrodenverhaltens und der Eigenschaften einschließlich der Zykluslebensdauer, des irreversiblen Kapazitätsverlustes, des hohen Stromwirkungsgrads und der hohen Ratenfähigkeit, besonders vorteilhaft für die Leistungsbatterie- und die Start-Stopp-Batterieverwendung. Die Elektrode 100 beinhaltet ferner einen Negativ-Elektroden-Stromabnehmer (nicht dargestellt), der aus Kupfer oder jedem beliebigen anderen geeigneten elektrisch leitenden Material bestehen kann, wie Fachleuten bekannt ist. Bei herkömmlichen Verfahren zur Bildung von Elektroden können Partikel von aktiven Materialien (z. B. 110) und elektrisch leitfähigem Füllmaterial (z. B. 120) mit einem Bindemittel (z. B. 130) gemischt und auf einen Stromabnehmer schlämmgegossen werden. Nachdem eine feste poröse negative Elektrode (z. B. 100) gebildet worden ist, kann sie weiter mit Elektrolyt getränkt werden.
  • In Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die negative Elektrode ein negatives elektroaktives Elektrodenmaterial beinhalten. Wie oben erwähnt, wurden anodenaktive Materialien, die Silizium enthalten, aufgrund ihrer hohen spezifischen Kapazitäts- und Energiedichte-Materialien für leistungsfähige Anwendungen (EV/HEV) berücksichtigt. In der Praxis leiden die derzeitigen siliziumhaltigen Anodenmaterialien an signifikanten Leistungsschwächen. Die vorliegende Technologie behandelt jedoch die Probleme, die in herkömmlichen siliziumhaltigen Elektroden gefunden werden, und stellt hochleistungsfähige siliziumhaltige Anoden mit vorteilhaften elektrochemischen Leistungsfähigkeiten sowie Langlebigkeit für den Langzeitgebrauch in wiederaufladbaren elektrochemischen Lithium-Ionen-Zellen bereit. Somit umfasst die negative Elektrode gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein elektroaktives Material, das Silizium umfasst. Ein solches Material kann Silizium sein (das in der Lage ist, Lithium einzuführen) oder kann Lithium-Silizium und siliziumhaltige binäre und ternäre Legierungen, wie Si-Sn, SiSnFe, SiSnAl, SiFeCo, Siliziumoxid (SiOx) und dergleichen, sein. In bestimmten Ausführungsformen umfasst oder besteht das siliziumhaltige Material im Wesentlichen aus Silizium (anstelle einer Legierung aus Silizium).
  • Das Silizium umfassende elektroaktive Material kann eine runde Geometrie oder eine axiale Geometrie aufweisen und kann somit in Form von Partikeln oder in alternativen Variationen vorliegen, die in Form von Nanodrähten, Nanostäbchen, Nanofedern oder Hohlrohren vorliegen können. Solche Siliziumstrukturen können dazu beitragen, die großen Volumenänderungen, die Silizium während des Lithium-Zyklus in einer Lithium-Ionen-Batterie erfährt, aufzunehmen. Der Begriff „axiale Geometrie“ bezieht sich auf Partikel, die im Allgemeinen eine stab-, faser- oder sonstige zylindrische Form mit einer offensichtlichen langen oder verlängerten Achse aufweisen. Im Allgemeinen ist ein Aspektverhältnis (AR) für zylindrische Formen (z. B eine Faser oder ein Stab) definiert als AR = L/D, worin L die Länge der längsten Achse und D der Durchmesser des Zylinders oder der Faser ist. Beispielhafte axialgeometrische siliziumhaltige Partikel, die zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung geeignet sind, können hohe Aspektverhältnisse aufweisen, die beispielsweise von etwa 10 bis etwa 5.000 reichen. In bestimmten Variationen beinhalten die siliziumhaltigen Partikel mit einer axialen Geometrie Fasern, Drähte, Haare, Filamente, Rohre, Stäbchen und dergleichen.
  • Der Begriff „runde Geometrie“ gilt typischerweise für Partikel mit niedrigeren Aspektverhältnissen, beispielsweise ein Aspektverhältnis näher zu 1 (z. B. weniger als 10). Es sollte erwähnt werden, dass die Partikelgeometrie von einer echten runden Form abweichen kann und beispielsweise längliche oder ovale Formen beinhalten kann, einschließlich prolate oder oblater Sphäroide, agglomerierte Partikel, polygonale (z. B. hexagonale) Partikel oder andere Formen, die im Allgemeinen eine niedriges Aspektverhältnis haben. Oblate Sphäroide können eine Scheibenformen aufweisen, die relativ hohe Aspektverhältnisse aufweisen. Somit ist ein allgemein rundes Geometriepartikel nicht auf relativ niedrige Aspektverhältnisse und sphärische Formen beschränkt. Für siliziumhaltige Partikel mit allgemein runder Geometrie kann als ein nicht einschränkendes Beispiel ein durchschnittlicher Partikelgrößen-Durchmesser eines geeigneten siliziumhaltigen Partikels größer oder gleich etwa 20 nm bis kleiner oder gleich etwa 100 μm, gegebenenfalls größer oder gleich etwa 50 nm bis kleiner oder gleich etwa 20 μm, wahlweise größer oder gleich etwa 100 nm bis kleiner oder gleich etwa 10 μm sein.
  • Zusätzlich kann in bestimmten Ausführungsformen die negative Elektrode ferner ein elektrisch leitfähiges Material beinhalten, wie beispielsweise elektrisch leitfähige Füllstoffpartikel. Ein solches elektrisch leitfähiges Material (z. B. elektrisch leitfähige Füllstoffpartikel) kann eine runde Geometrie oder eine axiale Geometrie aufweisen, wie oben beschrieben. Geeignetes elektrisch leitfähiges Material ist dem Fachmann bekannt und beinhaltet als nicht einschränkendes Beispiel Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Vorzugsweise werden die elektrisch leitfähigen Partikel und die siliziumhaltigen Partikel für eine gleichmäßige Verteilung (z. B. homogene Verteilung) und somit eine gleichmäßige elektrische Leitfähigkeit gut mit dem polymeren Bindemittel vermischt.
  • In verschiedenen Aspekten bezieht sich die erfindungsgemäße Technologie auf die Bereitstellung von hochleistungsfähigen, negativen Elektrodenmaterialien mit geringer Kapazität, die Silizium und elektrisch leitfähiges Material umfassen. So betrachtet beispielsweise die vorliegende Offenbarung ein Elektrodenmaterial für eine elektrochemische Zelle, umfassend eine Elektrodenmatrix mit einem elektroaktiven Material, einem elektrisch leitfähigen Material und einem polymeren Bindemittel, wobei das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Material mit dem Bindemittel reagiert werden. Die Elektrodenmatrix definiert somit ein festes Elektrodenmaterial, das vorzugsweise porös ist. Abhängig von der Porengröße können geeignete Porositäten von größer oder gleich etwa 20 % bis weniger oder gleich etwa 80 % Porosität für eine Elektrode (vor dem Einbringen mit einem beliebigen Elektrolyten) reichen.
  • In der Vergangenheit wurden polymere Elektrodenbindemittel nicht mit den elektroaktiven Materialien und dem darin dispergierten elektrisch leitfähigen Material umgesetzt oder chemisch gebunden. In verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung sind jedoch das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Material vorteilhafterweise chemisch an das Polymerbindemittel gebunden, um eine starke Grenzflächenhaftung zu gewährleisten. Somit hat ein Silizium umfassendes elektroaktives Material eine funktionalisierte Oberfläche (z. B. eine erste funktionalisierte Oberfläche) und/oder das elektrisch leitfähige Material hat eine funktionalisierte Oberfläche (z. B. eine zweite funktionalisierte Oberfläche) gemäß der vorliegenden Lehre. Die funktionalisierten Oberflächen (z. B. erste funktionalisierte Oberfläche, zweite funktionalisierte Oberfläche) können durch Umsetzung des siliziumhaltigen aktiven Materials (z. B. Siliziumpartikel) und/oder des elektrisch leitfähigen Materials (z. B. Carbon Nanoröhrchen) mit einem Silan mit einer organisch reaktiven funktionellen Gruppe, einem Oxidationsmittel, einem Dianhydrid und/oder einem Diamin hergestellt werden. So kann beispielsweise die funktionalisierte Oberfläche (z. B. erste funktionalisierte Oberfläche) des elektroaktiven Materials eine erste reaktive Gruppe umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon. In bestimmten Variationen kann die funktionalisierte Oberfläche (z. B. die erste funktionalisierte Oberfläche) des elektroaktiven Materials eine erste reaktive Gruppe umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Anhydridgruppe. Ferner kann die funktionalisierte Oberfläche (z. B. erste funktionalisierte Oberfläche) des elektrisch leitfähigen Materials eine zweite reaktive Gruppe umfassen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon. In bestimmten Variationen kann die funktionalisierte Oberfläche (z. B. die erste funktionalisierte Oberfläche) des elektrisch leitfähigen Materials eine zweite reaktive Gruppe umfassen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Aminogruppe und einer Carboxylgruppe besteht. Die funktionalisierten Oberflächen (z. B. erste funktionalisierte Oberfläche, zweite funktionalisierte Oberfläche) können durch Behandlung mit einem organofunktionellen Silan mit solchen reaktiven Gruppen (z. B. einer Aminogruppe), einem Oxidationsmittel (z. B. Salpetersäure, Schwefelsäure), Dianhydrid, oder Diamin hergestellt werden.
  • Somit stellt die vorliegende Offenbarung in verschiedenen Aspekten ein Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle bereit. Das Verfahren kann das Beimengen von mindestens einem Bindemittelvorläufer mit einem Silizium umfassenden elektroaktiven Material und einen elektrisch leitfähigen Material umfasst. Der mindestens eine Bindemittelvorläufer, das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Material können in jeder geeigneten Reihenfolge beigemengt werden. So können beispielsweise das elektroaktive Material und das elektrisch leitfähige Material zusammen beigemengt werden, um ein Gemisch zu bilden, und dann kann der mindestens eine Bindemittelvorläufer dem Gemisch oder dem elektroaktiven Material beigemengt werden, wobei das elektrisch leitfähige Material und der Bindemittelvorläufer im Wesentlichen gleichzeitig beigemengt werden können. Das elektroaktive Material kann eine erste Oberfläche aufweisen, die mit mindestens einer reaktiven Gruppe (z. B. einer ersten reaktiven Gruppe), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist. Zusätzlich kann das elektrisch leitfähige Material eine zweite Oberfläche aufweisen, die mit mindestens einer reaktiven Gruppe (z. B. einer zweiten reaktiven Gruppe), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist.
  • Der Bindemittelvorläufer kann so ausgewählt oder hergestellt werden, dass er mindestens eine funktionelle Gruppe beinhaltet, die mit der mindestens einen reaktiven Gruppe (z. B. erste reaktive Gruppe) auf der funktionalisierten ersten Oberfläche des Silizium umfassenden elektroaktiven Materials reagiert und/oder mit der mindestens einen reaktive Gruppe (z. B. zweite reaktive Gruppe) auf der funktionalisierten zweiten Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials. Insbesondere kann die reaktive Gruppe des Bindemittelvorläufers (z. B. dritte reaktive Gruppe) eine Anhydridgruppe sein. So ist beispielsweise der mindestens eine Bindemittelvorläufer eine Polyamidsäure mit Anhydrid- oder Aminoendgruppen. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine Bindemittelvorläufer ein Reaktionsprodukt eines Dianhydrids mit einem Diamin sein, das Poly(amidsäure) bildet, das eine höhere Löslichkeit in Lösungsmitteln und damit eine größere Fähigkeit zur leichteren Verarbeitung aufweist. Jedes geeignete Dianhydrid kann verwendet werden, beispielsweise 3,3', 4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid, Pyromellithsäuredianhydrid und eine Kombination davon. Geeignete Diamine umfassen, sind aber nicht beschränkt auf phenylhaltige Diamine. Die phenylhaltigen Diamine können eine oder mehrere Phenylgruppen beinhalten, die gegebenenfalls mit mindestens einer C1-C5-Alkylgruppe substituiert sein können (z. B. Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl). Zusätzlich können sie, wenn zwei oder mehr phenylhaltige Gruppen vorhanden sind, über eine Bindung, eine sauerstoffhaltige Brückengruppe (z. B. Sauerstoff, eine Carbonylgruppe) oder eine C1-C5-Alkylgruppe verbunden sein. Beispiele für geeignete Diamine umfassen, sind aber nicht beschränkt auf 1,4-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminodiphenylether, 1,3-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminobiphenyl, Bis(4-aminophenyl)methanon und Kombinationen davon. Insbesondere kann das Diamin 1,4-Phenylendiamin, 1,3-Phenylendiamin und 4,4'-Diaminobiphenyl sein.
  • Das Pyromellitsäuredianhydrid und Diamin kann dem funktionalisierten elektroaktiven Material und dem funktionalisierten elektrisch leitenden Material in jeder geeigneten Reihenfolge beigemengt werden. So können beispielsweise das Dianhydrid und das Diamin zusammen beigemengt werden, um den Bindemittelvorläufer (z. B. Polyamidsäure) zu bilden, der dann dem funktionalisierten elektroaktiven Material und dem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Material beigemengt wird. Alternativ können das Dianhydrid, das Diamin, das funktionalisierte elektroaktive Material und das funktionalisierte elektrisch leitfähige Material zusammen beigemengt werden. In einer besonderen Ausführungsform kann ein funktionalisiertes elektroaktives Material, das eine Aminogruppe umfasst, einem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Material beigemengt werden, das eine Aminogruppe umfasst, gefolgt von der Zugabe eines Diamins, wie hierin beschrieben, und eines Dianhydrids, wie hierin beschrieben. In einer anderen Ausführungsform kann ein funktionalisiertes elektroaktives Material, das eine Carboxylgruppe und/oder eine Anhydridgruppe umfasst, einem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Material beigemengt werden, das eine Carboxylgruppe umfasst, gefolgt von der Zugabe eines Dianhydrids, wie hierin beschrieben, und eines Diamins, wie hierin beschrieben.
  • In anderen Aspekten umfasst das elektroaktive Material Silizium und Graphit. In verschiedenen Aspekten kann der Graphit eine vierte Oberfläche aufweisen, die mit mindestens einer reaktiven Gruppe (z. B. einer vierten reaktiven Gruppe), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist. Das elektroaktive Material kann Silizium in einer Menge von mindestens etwa 5 Gew.-%, mindestens etwa 10 Gew.-%, mindestens etwa 20 Gew.-%, mindestens etwa 30 Gew.-%, mindestens etwa 40 Gew.-%, mindestens etwa 50 Gew.-% oder mindestens etwa 60 Gew.-% und Graphit in einer Menge von mindestens etwa 40 Gew.-%, mindestens etwa 50 Gew.-%, mindestens etwa 60 Gew.-%, mindestens etwa 70 Gew.-%, mindestens etwa 80 Gew.-%, mindestens etwa 90 Gew.-% oder mindestens etwa 95 Gew.-% umfassen. Insbesondere kann das elektroaktive Material etwa 30 Gew.-% Silizium und etwa 70 Gew.-% Graphit umfassen. In einer anderen Ausführungsform kann das elektroaktive Material etwa 5 Gew.-% bis 60 Gew.-%, etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% oder etwa 20 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Silizium und etwa 40 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-%, etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-%, etwa 60 Gew.% bis etwa 80 Gew.-% Graphit, insbesondere, etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Silizium und etwa 50 Gew.% bis etwa 90 Gew.-% Graphit umfassen.
  • Nach dem Kombinieren mit dem elektroaktiven negativen Elektrodenmaterial und dem elektrisch leitfähigen Material reagiert der mindestens eine Bindemittelvorläufer also mit der mindestens einen reaktiven Gruppe (z. B. erste reaktive Gruppe, vierte reaktive Gruppe) auf dem elektroaktiven negativen Elektrodenmaterial und der mindestens einen reaktiven Gruppe (z. B. zweite reaktive Gruppe) auf dem elektrisch leitfähigen Material, um ein poröses festes Elektrodenmaterial zu bilden. In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren ferner nach dem Beimengen des mindestens einen Bindemittelvorläufers, des funktionalisierten elektroaktiven Materials und des funktionalisierten elektrischen leitfähigen Materials, um eine Aufschlämmung oder eine Mischung zu bilden, das Verflüchtigen oder Erhitzen der Aufschlämmung oder des Gemisches umfassen, um die negative Verbundelektrode zu bilden. So kann beispielsweise die Aufschlämmung oder das Gemisch auf einen Aufnehmer aufgetragen und dann erwärmt oder verflüchtigt werden, um das Lösungsmittel bei einer Temperatur zwischen etwa 60 °C und etwa 120 °C zu entfernen, gefolgt von einem weiteren Erhitzen bei einer Temperatur zwischen etwa 200 °C und etwa 500 ºC, um das polymere Bindemittel zu bilden. In bestimmten Fällen, in denen der Bindemittelvorläufer Polyamidsäure ist, kann die Mischung oder Aufschlämmung, wie beschrieben, erwärmt werden, um Polyimid mit einem Imidisierungsgrad von mindestens etwa 95 %, mindestens etwa 97 % oder mindestens etwa 99 % zu bilden. Die negative Verbundelektrode umfasst somit das poröse feste Elektrodenmaterial, einschließlich einer Elektrodenmatrix, bei der das Bindemittel sowohl mit dem Silizium umfassenden elektroaktiven Material als auch mit dem elektrisch leitfähigen Material umgesetzt wird, die somit vorteilhafterweise daran haften.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Lehre wird ein polymeres Bindemittel chemisch an die funktionalisierte Oberfläche der siliziumhaltigen Partikel, gegebenenfalls die funktionalisierte Oberfläche von Graphit (wie im elektroaktiven Material vorhanden) und die funktionalisierte Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials (z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen) durch Reaktion zwischen Aminogruppen und Anhydridgruppen oder Aminogruppen und Carboxylgruppen gebunden, um die Batteriezyklusleistung zu verbessern. Das polymere Bindemittel fungiert somit sowohl als Oberflächenbeschichtung für die siliziumhaltigen Partikel als auch als Bindemittel, um die siliziumhaltigen Partikel und das elektrisch leitfähige Material (z. B. Kohlenstoffnanoröhrchen) in einer Matrix des festen Elektrodenmaterials physikalisch zurückzuhalten.
  • Ein solches festes Elektrodenmaterial, das mit dem elektroaktiven Material (z. B. siliziumhaltige Partikel) und dem elektrisch leitfähigen Material (z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen) reagiertes Bindemittel umfasst, verringert den mechanischen Abbau von der Volumenausdehnung/-kontraktion während der Li-Ionen-Insertion/Extraktion durch Zurückhalten des elektroaktiven Materials (z. B. siliziumhaltige Partikel) und des elektrisch leitfähigen Materials (z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen) in der Nähe zu anderen Elektrodenkomponenten. In Übereinstimmung mit den vorliegenden Lehren hilft die funktionalisierte Oberfläche der siliciumhaltigen Partikel und die funktionalisierte Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials (z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen), die ferner mit einem Bindemittelvorläufer umgesetzt werden, die Position der negativen Elektrodenkomponenten innerhalb der Matrix zu halten und hilft so, das Problem der strukturellen und mechanischen Trennung in einem siliziumhaltigen Anodenmaterial während der Li-Ionen-Insertion/Extraktion zu lösen.
  • In bestimmten Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung die Funktionalisierung eines Silizium umfassenden elektroaktiven Materials durch Pfropfen oder Reagieren eines Silizium umfassenden Materials, wie eines Siliziumpartikels, mit einem organofunktionellen Silan in Betracht. In anderen Aspekten kann das Silizium umfassende elektroaktive Material mit einer funktionalisierten Oberfläche, wie oben beschrieben, beschafft und dann dem elektrisch leitfähigen Material mit einer funktionalisierten Oberfläche, wie oben beschrieben, beigemengt werden, und ein Bindemittelvorläufer (der selbst ausgewählt oder hergestellt ist, um eine oder mehrere reaktive funktionelle Gruppen zu haben, die mit dem funktionalisierten elektroaktiven Material und dem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Material reagieren).
  • Während verschiedene Silane verwendet werden können, um die Oberfläche des siliziumhaltigen elektroaktiven Materials mit den reaktiven funktionellen Gruppen zu funktionalisieren, ist eine repräsentative Struktur für ein geeignetes organofunktionelles Silan in Formel I angegeben: (R1)n-Si(R2)a(R3)b(R4)c (I), worin R1, R2, R3 und R4 Liganden des Si sind. In der Formel I sind a–c 0 oder 1, vorzugsweise a–c sind 1 und n + a + b + c = 4. R1 umfasst eine organofunktionelle Gruppe. Die organofunktionelle Gruppe kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Amino- oder Amingruppen, Carboxylgruppen, Hydroxylgruppen und dergleichen. Eine aminoorganofunktionelle Gruppe kann ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Aminogruppen, einschließlich primären und sekundären Aminen. Derartige funktionelle Gruppen können als unabhängige Liganden bereitgestellt oder weiter in einen Kohlenwasserstoff eingebaut oder substituiert sein, solange die funktionelle Gruppe reaktiv bleibt.
  • Die Liganden R2, R3 und R4 sind unabhängig voneinander ausgewählt und können ein oder mehrere Heteroatome umfassend Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor umfassen. In gewissen Variationen sind R2, R3 und R4 hydrolysierbare Gruppen. R2, R3 und R4 besitzen vorzugsweise eine Sauerstoffgruppe, -O-Y, wobei Y eine gerade oder verzweigte, gesättigte oder ungesättigte Alkyl-, Alkenyl-, Cycloalkyl- oder Arylgruppe mit 1 bis 30 Kohlenstoffatomen, gegebenenfalls 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, sein kann, und in gewissen Variationen 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, wobei R1 somit eine Alkoxy-, Aryloxy- oder Carboxylgruppe bildet. Somit können R2, R3 und R4 eine an das Silicium (Si-O-Y) gebundene Sauerstoffgruppe beinhalten und können ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus Hydroxyl, Methoxy, Ethoxy, Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Isopropoxy, Butoxy, Isobutoxy, tert.-Butoxy, Pentyloxy, tert-Pentyloxy, Neo-Pentyloxy, Hexyloxy, Isohexyloxy, Aryloxy, Phenoxy, Tolyloxy, Xylyloxy und dergleichen. Die Auswahl der Liganden (R1-R4) kann auf die jeweiligen Elektrodenkomponenten, einschließlich Bindemittel, abgestimmt werden, in denen das siliziumhaltige elektroaktive Material verwendet werden soll.
  • In anderen Aspekten kann das elektroaktive negative Elektrodenmaterial funktionalisiert werden, indem ein Siliziumpartikel mit einem Silan, das eine aminoreaktive Gruppe umfasst, umgesetzt wird. So können beispielsweise geeignete Aminosilane R1 mit einer Aminogruppe, wie einer primären Aminogruppe, und R2-R4 beinhalten, die eine Alkoxygruppe umfassen. In bestimmten Variationen kann das Aminosilan ein Aminoalkyltrialkoxysilan, wie γ-Aminopropyltriethoxysilan, Aminopropyltrimethoxysilan, Aminopropylmethyldiethoxysilan, Aminopropylmethyldimethoxysilan, die jeweils eine aminoreaktive Gruppe aufweisen, umfassen.
  • In anderen Aspekten kann das elektroaktive negative Elektrodenmaterial funktionalisiert werden, indem ein Siliziumpartikel mit einem Aminosilan, wie hier beschrieben, umgesetzt wird, um aminoreaktive Gruppen auf der Oberfläche des elektroaktiven negativen Elektrodenmaterials zu bilden. Das aminofunktionalisierte elektroaktive Material kann ferner mit einem Dianhydrid, wie hierin beschrieben, umgesetzt werden, um anhydridreaktive Gruppen auf der Oberfläche zu bilden.
  • In anderen Variationen kann das elektroaktive negative Elektrodenmaterial durch Hydrolyse eines Siliziumpartikels mit anhydridreaktiven Gruppen funktionalisiert werden, um Carboxylgruppen auf der Oberfläche zu bilden. So kann beispielsweise der Siliziumpartikel mit anhydridreaktiven Gruppen, wie oben beschrieben, funktionalisiert werden und ferner mit Wasser umgesetzt oder feuchter Luft ausgesetzt werden, um auf der Oberfläche carboxylreaktive Gruppen zu bilden.
  • In bestimmten Aspekten können die siliziumhaltigen elektroaktiven Materialien umgesetzt werden, um vor der Funktionalisierung der Oberfläche Hydroxylgruppen auf den siliziumhaltigen Partikeln zu bilden. So können beispielsweise die siliziumhaltigen Partikel Sauerstoff und/oder Wasser ausgesetzt werden, um auf den siliziumhaltigen Partikeln Hydroxylgruppen, z. B. Silanolgruppen, zu bilden. Alternativ kann ein solcher weiterer Reaktions- oder Oxidationsschritt nicht notwendig sein, da siliziumhaltige Partikel mit solchen vorhandenen Hydroxylgruppen beschafft werden können.
  • In bestimmten Aspekten betrachtet die vorliegende Offenbarung auch die Funktionalisierung eines elektrisch leitfähigen Materials, wie hierin beschrieben, durch Pfropfen oder Umsetzen eines kohlenstoffhaltigen Materials (elektrisch leitfähiges Material), wie Ruß, Graphit, einer Kohlenstofffaser und/oder einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen, mit einem Oxidationsmittel oder einem Diamin. In anderen Aspekten kann das elektrisch leitfähige Material mit einer funktionalisierten Oberfläche, wie oben beschrieben, beschafft und dann dem elektroaktiven Material mit einer funktionalisierten Oberfläche, wie oben beschrieben, und einem Bindemittelvorläufer (der selbst ausgewählt oder hergestellt ist, um eine oder mehrere reaktive funktionelle Gruppen zu haben, die mit dem funktionalisierten elektroaktiven Material und dem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Material reagieren) beigemengt werden.
  • Somit kann das elektrisch leitfähige Material in anderen Aspekten funktionalisiert werden, indem eine Oberfläche (z. B. eine zweite Oberfläche) des elektrisch leitfähigen Materials mit einem Oxidationsmittel umgesetzt wird, um mindestens eine reaktive Gruppe (z. B. eine zweite reaktive Gruppe) auf dem elektrisch leitfähigen Material zu bilden. Insbesondere ist eine Carboxylgruppe die zweite reaktive Gruppe. Es kann jedes geeignete Oxidationsmittel verwendet werden, wie Säuren, Salze, Peroxide, Sauerstoff, Wasser und Kombinationen davon. Beispiele für Oxidationsmittel umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Salpetersäure (HNO3), Schwefelsäure (H2SO4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Kaliumpermanganat (KMnO4), Kaliumdichromat (K2Cr2O7), Sauerstoff (O2), Wasser (H2O) und eine Kombination davon. Beispiele für Kombinationen von Oxidationsmitteln umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Salpetersäure und Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure, Kaliumpermanganat und Schwefelsäure, Kaliumdichromat und Schwefelsäure sowie Sauerstoff und Wasser.
  • Zusätzlich kann das elektrisch leitfähige Material funktionalisiert werden, indem eine Oberfläche (z. B. einer zweiten Oberfläche) des elektrisch leitfähigen Materials mit einem Diamin umgesetzt wird, um eine Aminogruppe als die am wenigsten reaktive Gruppe (z. B. eine zweite reaktive Gruppe) auf dem elektrisch leitfähigen Material zu bilden. Insbesondere kann, wenn das elektrisch leitfähige Material eine Carboxylgruppe umfasst, das elektrisch leitfähige Material dann weiter mit Thionylchlorid (SOCl2) und/oder einem Diamin, wie hierin beschrieben, umgesetzt werden (z. B. 1,4-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminodiphenylether, 1,3-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminobiphenyl, Bis(4-aminophenyl)methanon und Kombinationen davon).
  • Solche funktionalisierten siliziumhaltigen elektroaktiven Materialien und funktionalisierten elektrisch leitfähigen Materialien können dann gemäß den vorliegenden Lehren verwendet werden, um eine verbesserte leistungsfähige negative Elektrode zur Verwendung in einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Zelle zu bilden. 3 zeigt ein repräsentatives Schema eines exemplarischen Verfahrens 200 zum Erzeugen der Elektrodenmaterialien gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehre. Ein funktionalisierter elektroaktiver Materialvorläufer 210 weist siliziumhaltige Partikel 212 mit einer Vielzahl von reaktiven funktionellen Gruppen 220 auf einer Oberfläche davon auf. Ein funktionalisierter elektrisch leitfähiger Materialvorläufer 230 weist leitfähige Partikel 232 mit einer zweiten Vielzahl von reaktiven funktionellen Gruppen 240 auf einer Oberfläche davon auf. Ein Bindemittelvorläufer 250 umfasst einen oder mehrere polymere Bindemittelvorläufer 242 (insbesondere kann der polymere Bindemittelvorläufer ein Polymer, ein Monomer, ein Oligomer oder dergleichen sein) mit einer dritten Vielzahl von reaktiven Gruppen 260. Der eine oder mehrere polymere Bindemittelvorläufer 242 kann gleich oder verschieden sein. Nach dem funktionalisierten elektroaktiven Materialvorläufer 210 werden das funktionalisierte elektrisch leitfähige Material 230 und der Bindemittelvorläufer 250 zusammen beigemengt, eine Reaktion tritt zwischen der Vielzahl von reaktiven funktionellen Gruppen 220, der zweiten Vielzahl von reaktiven funktionellen Gruppen 240 und der dritten Vielzahl von reaktiven Gruppen 260 auf, um ein poröses festes Elektrodenmaterial 270 zu bilden. Das poröse feste Elektrodenmaterial 270 enthält die siliziumhaltigen Partikel 212 und die leitfähigen Partikel 232, die beide über chemische Bindungen mit einem polymeren Bindemittel 252 verbunden sind, das die siliziumhaltigen Partikel 212 und die leitfähigen Partikel 232 physikalisch innerhalb der Elektrode bindet und zurückhält und die physikalische Trennung und das Unterbrechen der elektrischen Kontakte und der Kontinuität in der Elektrode während des Lithium-Zyklus minimiert und/oder verhindert.
  • In einer Variante der vorliegenden Lehren sind die Vielzahl der reaktiven funktionellen Gruppen 220 Aminogruppen auf dem siliziumhaltigen Partikeln 212 und die zweite Vielzahl von reaktiven funktionellen Gruppen 240 sind Aminogruppen auf den leitfähigen Partikeln 232. In einer solchen Variation kann der Bindemittelvorläufer 250 ein Reaktionsprodukt eines Dianhydrids mit einem Diamin sein, das Poly(amidsäure) bildet, das eine höhere Löslichkeit in Lösungsmitteln und somit eine größere Fähigkeit zur leichteren Verarbeitung aufweist. Der Bindemittelvorläufer 250 weist somit reaktive Gruppen 260 in Form eines Anhydrids auf. Die anhydrid-reaktive Gruppe 260 des Bindemittelvorläufers 250 reagiert somit mit den aminoreaktiven Gruppen 220 auf der funktionalisierten Oberfläche des siliziumhaltigen Partikels 212 und der aminoreaktiven Gruppen 240 auf der funktionalisierten Oberfläche der leitfähigen Partikel 232, um die poröse Elektrodenmatrix 270 zu bilden. Das so gebildete polymere Bindemittel 252 ist nach der Wärmebehandlung (wie beispielsweise bei 250 °C unter Vakuumbedingungen für 12 Stunden) Polyimid. Wie die obige Ausführungsform dient das Polyimidpolymerbindemittel 252 als ein physikalisches Bindemittel und verhält sich auch als Beschichtung auf der Oberfläche der siliziumhaltigen Partikel 212.
  • In einer weiteren Variante der vorliegenden Lehre sind die Vielzahl reaktiver funktioneller Gruppen 220 Carboxylgruppen und/oder Anhydridgruppen auf dem siliziumhaltigen Partikel 212 und die zweite Vielzahl reaktiver funktioneller Gruppen 240 sind Carboxylgruppen auf den leitfähigen Partikeln 232. In einer solchen Variation kann der Bindemittelvorläufer 250 ein Reaktionsprodukt eines Dianhydrids mit einem Diamin sein, das Poly(amidsäure) bildet, das eine höhere Löslichkeit in Lösungsmitteln und somit eine größere Fähigkeit zur leichteren Verarbeitung aufweist. Der Bindemittelvorläufer 250 weist somit reaktive Gruppen 260 in Form eines Aminos auf. Die aminoreaktive Gruppe 260 des Bindemittelvorläufers 250 reagiert somit mit den arboxylreaktiven Gruppen und/oder den anhydridreaktiven Gruppen 220 auf der funktionalisierten Oberfläche des siliziumhaltigen Partikels 212 und den carboxylreaktiven Gruppen 240 auf der funktionalisierten Oberfläche der leitfähigen Partikel 232, um die poröse Elektrodenmatrix 270 zu bilden. Das so gebildete polymere Bindemittel 252 ist nach der Wärmebehandlung (wie beispielsweise bei 250 °C unter Vakuumbedingungen für 12 Stunden) Polyimid. Wie die obige Ausführungsform dient das Polyimidpolymerbindemittel 252 als ein physikalisches Bindemittel und verhält sich auch als Beschichtung auf der Oberfläche der siliziumhaltigen Partikel 212.
  • Somit sieht die vorliegende Offenbarung eine negative Elektrode für eine elektrochemische Zelle vor, die ein festes Elektrodenmaterial umfasst. Das feste Elektrodenmaterial ist in bevorzugten Variationen porös. Das feste Elektrodenmaterial umfasst ein Silizium umfassendes elektroaktives Material mit einer ersten funktionalisierten Oberfläche, die an ein Bindemittel gebunden oder damit verbunden ist, und ein elektrisch leitfähiges Material mit einer zweiten funktionalisierten Oberfläche, die an das Bindemittel gebunden oder damit verbunden ist. In bestimmten Aspekten umfasst die erste funktionalisierte Oberfläche mindestens eine reaktive Gruppe (z. B. eine erste reaktive Gruppe), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon und/oder die zweite funktionalisierte Oberfläche umfasst mindestens eine reaktive Gruppe (z. B. eine zweite reaktive Gruppe), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe. In bestimmten Aspekten umfasst die funktionalisierte Oberfläche ferner ein Silan mit der reaktiven Gruppe. Zusätzlich oder alternativ kann das elektroaktive Material ferner Graphit umfassen, wie hierin beschrieben, mit einer vierten Oberfläche, die mit einer vierten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist. Das elektroaktive Material kann Silizium und Graphit in den hierin beschriebenen Mengen (z. B. etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Silicium und etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Graphit) umfassen.
  • Die erste reaktive Gruppe und gegebenenfalls die vierte reaktive Gruppe auf dem elektroaktiven Material und die zweite reaktive Gruppe auf dem elektrisch leitfähigen Material reagieren und bilden eine Bindung mit mindestens einer reaktiven Gruppe (z. B. einer dritten reaktiven Gruppe) im polymeren Bindemittel. Wenn beispielsweise die funktionalisierten oberflächenreaktiven Gruppen (z. B. die erste reaktive Gruppe und die zweite reaktive) auf dem elektroaktiven Material und dem elektrisch leitfähigen Material eine Aminogruppe, eine Carboxylgruppe und/oder eine Anhydridgruppe sind, können sie mit einer anhydridreaktiven Gruppe oder aminogereaktiven Gruppe des polymeren Bindemittels umgesetzt und gebunden werden.
  • In verschiedenen Aspekten kann das polymere Bindemittel Polyimid (PI) sein. Wie oben erörtert, weist das polymere Bindemittel wünschenswerterweise mindestens eine zusätzliche funktionelle Gruppe auf, die in der Lage ist, mit der funktionalisierten ersten oberflächenreaktiven Gruppe des Silizium umfassenden elektroaktiven Materials und gegebenenfalls der funktionalisierten vierten oberflächenreaktiven Gruppe von Graphit (wie im elektroaktiven Material vorhanden) sowie der funktionalisierten zweiten oberflächenreaktiven Gruppe des elektrisch leitfähigen Materials zu reagieren. In bestimmten exemplarischen Aspekten kann/können die funktionelle(n) Gruppe(n) auf dem polymeren Bindemittel ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus: einer Amingruppe, einer Anhydridgruppe und Kombinationen davon. Solche funktionellen Bindemittelgruppen können mit dem funktionalisierten Siliziumpartikel mit einer ersten reaktiven Gruppe und gegebenenfalls dem funktionalisierten Graphit mit einer vierten reaktiven Gruppe (wie sie im elektroaktiven Material vorhanden ist) sowie dem funktionalisierten elektrisch leitfähigen Material mit einer zweiten reaktiven Gruppe reagieren. So kann beispielsweise ein Polyimidvorläufer mit Anhydridgruppen (z. B. ein Anhydrid, ein Dianhydrid) und/oder ein Polyimidvorläufer mit Aminogruppen (z. B. ein Diamin) mit Amingruppen, Carboxylgruppen und/oder Anhydridgruppen auf einer funktionalisierten, erste Oberfläche eines Silizium umfassenden elektroaktiven Materials und gegebenenfalls Amingruppen und/oder Carboxylgruppen auf einer funktionalisierten vierten Oberfläche von Graphit sowie Amingruppen und/oder Carboxylgruppen auf einer funktionalisierten zweiten Oberfläche eines elektrisch leitfähigen Materials reagieren. Insbesondere sind die erste funktionalisierte Oberfläche und die zweite funktionalisierte Oberfläche mit einem polymeren Bindemittel verbunden, das Polyimid umfasst, das aus mindestens einem Bindemittelvorläufer gebildet ist, der mindestens eine dritte reaktive Gruppe umfasst, die eine Anhydridgruppe (z. B. ein Anhydrid, ein Dianhydrid) und/oder eine Aminogruppe (z. B. ein Diamin) umfasst.
  • Das Gemisch aus Bindemittelvorläufer, funktionalisiertem siliziumhaltigem elektroaktivem Material und funktionalisiertem elektrisch leitfähigem Material kann durch in der Technik bekannte Ausrüstung gemischt oder vermischt werden, wie beispielsweise Magnetrührer, Mischer, Kneter und dergleichen. In bestimmten bevorzugten Aspekten ist das Gemisch aus Bindemittelvorläufer, funktionalisiertem siliziumhaltigem elektroaktivem Material und funktionalisiertem elektrisch leitfähigem Material in einem oder mehreren Lösungsmitteln oder einem oder mehreren Vehikeln dispergiert. Zusätzlich oder alternativ wird das funktionalisierte siliziumhaltige elektroaktive Material und das funktionalisierte elektrisch leitfähige Material in einem oder mehreren Lösungsmitteln oder einem oder mehreren Vehikel dispergiert, gefolgt von der Zugabe des Bindemittelvorläufers. Nicht einschränkende Beispiele für geeignete Lösungsmittel umfassen Wasser, Methanol, Aceton, Ethanol, N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Dimethylformamid (DMF) und Kombinationen davon. Das Verfahren kann ferner das Verflüchtigen des Lösungsmittels zur Bildung des porösen festen Elektrodenmaterials umfassen.
  • Die Handhabung und Fließfähigkeit eines Gemisches aus Bindemittelvorläufer, funktionalisiertem siliziumhaltigem elektroaktivem Material und funktionalisiertem elektrisch leitfähigem Material hängt von der Viskosität des ausgewählten Polymeren oder Polymervorläufers, der Viskosität des Lösungsmittels/Trägers sowie einer Vernetzungrate (z. B. wenn ein Katalysator zugegeben wird, der die Viskosität des Gemisches beeinflusst) ab.
  • Eine Konzentration von funktionalisiertem siliziumhaltigen elektroaktivem Material in der negativen Elektrode kann gegebenenfalls von größer oder gleich etwa 20 Masse-% bis kleiner oder gleich etwa 95 Masse-% der Gesamtmasse der negativen Elektrode reichen. Wie von Fachleuten erkannt wird, variiert die Konzentration des erforderlichen funktionalisierten siliziumhaltigen elektroaktiven Materials in Abhängigkeit von der Teilchengröße und dergleichen. Für Silizium umfassende elektroaktive Partikel, die Nanopartikel sind (mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als oder gleich etwa 1 μm), kann eine Menge solcher Nanopartikel im Bereich von etwa größer oder gleich etwa 20 Masse-% bis weniger oder gleich etwa 90 Masse-% der Gesamtmasse der negativen Elektrode liegen. Für Silizium umfassende elektroaktive Teilchen, die Mikropartikel sind, kann eine Konzentration von größer oder gleich etwa 50 Masse-% bis weniger oder gleich etwa 95 Masse-% der Gesamtmasse der negativen Elektrode reichen.
  • Eine Konzentration von funktionalisiertem elektrisch leitfähigem Material in der negativen Elektrode kann mit einer Perkolationsschwelle korreliert werden, die sich mit der Teilchengröße, dem Partikelwiderstand oder der Leitfähigkeit und der Geometrie oder Teilchenform ändert, wie dies dem Fachmann bekannt ist. In bestimmten Variationen kann eine Konzentration von funktionalisiertem elektrisch leitfähigem Material in der negativen Elektrode von größer oder gleich etwa 5 Masse-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Masse-% der Gesamtmasse der negativen Elektrode reichen.
  • Eine Menge an polymerem Bindemittel in der negativen Elektrode kann im Bereich von größer oder gleich etwa 2 Masse-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Masse-% der Gesamtmasse der negativen Elektrode liegen. Im Allgemeinen gilt, je kleiner die Partikelgröße des siliziumhaltigen elektroaktiven Materials und/oder der elektrisch leitfähigen Partikel ist, desto größer ist die Menge des verwendeten polymeren Bindemittels. In einer besonderen Ausführungsform umfasst das poröse feste Elektrodenmaterial das elektroaktive Material mit einer Größe von größer oder gleich etwa 20 Masse-% bis kleiner oder gleich etwa 95 Masse-% des porösen festen Elektrodenmaterials, wobei das elektrisch leitfähige Material größer oder gleich etwa 5 Masse-% bis kleiner oder gleich etwa 30 Masse-% des porösen Festkörperelektrodenmaterials und das polymere Bindemittel größer oder gleich etwa 2 Masse-% bis kleiner oder gleich etwa 50 Masse-% des porösen Festelektrodenmaterials vorhanden ist.
  • Die erfindungsgemäßen Elektrodenmatrizen, die silikonhaltige elektroaktive Materialien gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung umfassen, eignen sich besonders gut zur Minimierung oder Verhinderung von mechanischer Beanspruchung und dem Brechen von negativen Elektroden, die die siliziumhaltigen elektroaktiven Materialien umfassen, und somit zur Erhöhung der Kapazitätsretention und zur Reduzierung des Ladungskapazitätsabfalls auf die oben beschriebenen Ebenen. Daher haben die erfindungsgemäßen Elektrodenmaterialien gewisse Vorteile, wie langfristige Zyklusstabilität, hohe Stromausbeute und hohe Ratenfähigkeiten. Solche langfristige Zyklusstabilität, hohe Stromausbeute und hohe Ratenfähigkeiten sind besonders vorteilhaft für die Leitungsbatterie- und den Start-Stopp-Batterieverwendung.
  • Dementsprechend haben siliziumbasierte Anoden, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung erzeugt werden, wünschenswerterweise weniger oder gleich etwa 40% Ladungskapazitätsabfall, wahlweise weniger oder gleich etwa 30% Kapazitätsabfall, wahlweise weniger oder gleich etwa 25 % Kapazitätsabfall, wahlweise weniger oder gleich etwa 20% Kapazitätsabfall und bei bestimmten hochleistungsfähigen Anoden auf Siliziumbasis beträgt der Kapazitätsabfall weniger oder gleich etwa 15%. Daher stellt die vorliegende Offenbarung in bestimmten Variationen neue Anoden bereit, die siliziumelektroaktive Materialien umfassen, die weniger oder gleich etwa 10% des Kapazitätsabfalls aufweisen.
  • So kann beispielsweise eine Anode, die ein Siliziummaterial umfasst, bis zu etwa 90 % der Ladungskapazität aufrechterhalten. Somit haben siliziumbasierten Anoden mit der Erfindung eine Kapazitätsretention bis zu etwa 90 %.
  • BEISPIELE
  • Allgemeine Verfahren
  • Für die elektrochemische Leistungsmerkmalisierung für Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1: Die Si/Li-Knopfzellen wurden zusammengebaut. Der verwendete Elektrolyt war 1M Lithiumhexafluorophosphat in Ethylencarbonat und Diethylcarbonat EC/DEC (1:2 v/v), enthaltend 10 Gew.-% Fluorethylencarbonat, und der Separator war Celgard 2400. Die Knopfzellen wurden unter einem konstanten Strom-Konstantspannungsmodus auf 0,01 V entladen und dann unter einem konstanten Strommodus auf 1,0 V bei C/10 bei Raumtemperatur und 70 Zyklen getestet. Zwischen jedem Lade-Entlade-Zyklus wurde eine 5-minütige Ruheperiode verwendet.
  • Beispiel 1
  • Amino-gepfropfte Rußpartikel wurden durch Oxidation von Ruß (TIMREX® SUPER P® Li) mit HNO3 (0,3 M) bei 95 °C für 6 Stunden vorbereitet, um eine Suspension zu bilden. Die Suspension wurde zentrifugiert und der Kohlenstoff wurde durch Resuspension mit Wasser gewaschen. Ein Reaktionskolben wurde mit 15 g Thionylchlorid (SOCl2) beschickt. Unter Rühren wurde 1 g oxidierter Ruß zugegeben. Die Kolbenöffnungen wurden mit Stoppern verschlossen und die Reaktionsmischung wurde zunächst langsam unter Rühren in einem Ölbad bis zu 50 °C Badtemperatur erhitzt und anschließend wurde das Rühren für 2 Stunden bei 80 °C Badtemperatur fortgesetzt. Ruß mit -COCl wurde dann abzentrifugiert. Der zentrifugierte Ruß mit -COCl (5 g) wurde mit 5 g p-Phenylendiamin gemischt und bei Raumtemperatur (etwa 18 °C bis etwa 25 °C) über Nacht (etwa 6 bis etwa 12 Stunden) umgesetzt, um aminogepfropfte Rußpartikel zu bilden. Die amingepfropften Rußpartikel können abzentrifugiert werden. Aminogepfropfte Silicium(Si)-Partikel wurden aus Si-Partikeln mit einem mittleren Partikelgrößendurchmesser von 100 nm (erhalten aus MTI) hergestellt. Die Si-Partikel wurden bei 60 °C für 2 Stunden in Wasser dispergiert, dann auszentrifugiert und getrocknet. Die behandelten Si-Partikel wurden in 2%iger Lösung von 3-Aminopropyltriethoxysilan in Aceton dispergiert, bei Raumtemperatur für 2 Stunden gerührt, um amingepfropfte Siliziumpartikel zu bilden. Die amingepfropften Siliziumpartikel wurden auszentrifugiert.
  • Die amingepfropften Rußteilchen (0,2 g) und die amingepfropften Siliziumpartikel (0,6 g) wurden durch Mörser und Pistill für 20 min gemischt und dann in 5 g NMP dispergiert, um ein Gemisch zu bilden. 0,054 g 1,4-Phenylendiamin wurden der Mischung zugesetzt, bis es aufgelöst war. Unter Schutz von Stickstoff wurden 0,147 g 3,3', 4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid zugegeben. Die Umsetzung der Aminogruppen an Ruß und der Aminogruppen an den Siliziumpartikeln mit den Anhydridgruppen aus 3,3', 4,4'-Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid und den Aminogruppen aus 1,4-Phenylendiamin erfolgte über Nacht (ca. 6 bis etwa 12 Stunden) bei Raumtemperatur, um eine Aufschlämmung zu bilden, die Polyamidsäure enthält. Dann wurde die Aufschlämmung auf eine Kupferfolie gegossen, um die Anode zu bilden. Die Anode wurde weiter bei 120 °C für 2 Stunden getrocknet und dann bei 350 °C unter Vakuum über Nacht gehärtet, um die endgültige Anode herzustellen, die das polymere Bindemittel (20 Massen-%) umfasst, das mit funktionalisiertem Silizium (60 Massen-%) und dem funktionalisierten Rußpartikel (20 Massen-%) umgesetzt wurde.
  • Die Lade- und Entlade-Profile der elektrochemischen Leistung des Beispiels 1 sind in 4 dargestellt. In 4 ist die Kapazität auf der y-Achse in mAh/g-Einheiten aufgetragen, während die Zyklenzahl auf der x-Achse aufgetragen ist. Ein Laderate von C/10 wird bei Raumtemperatur verwendet, und 70 Zyklen werden getestet. Die Zelle wird zwischen 0,1 V–1 V getaktet. Die Ladungskapazität bei der Lithiierung und Entladekapazität bei der Delithiation sind dargestellt. Die erste Entladekapazität beträgt ca. 3600 mAh/g. Die erste Ladekapazität beträgt 2400 mAh/g. Der Coulomb-Wirkungsgrad beträgt damit etwa 67 %. Basierend auf Zyklus 10 beträgt die Kapazitätsretention bei 50 Zyklen etwa 97 %.
  • Vergleichendes Beispiel 1
  • Ein Bindemittel (Poly (3,3'4,4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid-co-20% Methylphenylendiamin/80% Toluoldiamin) wurde in einem Lösungsmittel (NMP) gelöst, um eine 3 Gew.-% Bindemittellösung herzustellen. Siliziumpartikel mit einem mittleren Partikelgrößendurchmesser von 100 nm (erhalten von MTI) und Ruß (TIMREX® SUPER P® Li) wurden unter Verwendung eines Mörsers und eines Pistills gemischt, um ein Gemisch zu bilden. Die Mischung wurde in der Bindemittellösung dispergiert (zusätzliches NMP kann zur Anpassung der Viskosität zugegeben werden), um eine Elektrodenaufschlämmung herzustellen. Die Elektrodenaufschlämmungen wurden dann auf Cu-Folien aufgetragen und bei 60 °C über Nacht (etwa 6 bis etwa 12 Stunden) getrocknet. Die getrockneten Elektroden wurden unter Vakuum bei 250 ºC, 300 ºC und 350 ºC für 16 Stunden weiter wärmebehandelt. um die Polyimidbindemittel zu härten. Die Elektroden umfassen 60 Gew.-% Siliziumpartikel, 20 Gew.-% Ruß und 20 Gew.-% Bindemittel.
  • Die Lade- und Entlade-Profile der elektrochemischen Leistung des vergleichenden Beispiels 1 sind in 5 dargestellt. In 5 ist die Kapazität auf der y-Achse in mAh/g-Einheiten aufgetragen, während die Zyklenzahl auf der x-Achse aufgetragen ist. Basierend auf dem Zyklus 10 beträgt die Kapazitätsretention bei 50 Zyklen etwa 78 % für die bei 350 °C erhitzte Elektrode. Dementsprechend zeigt dieses Beispiel 1, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, eine signifikant verbesserte Zyklusleistung und eine verminderte Kapazitätsabschwächung.
  • Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie ist nicht erschöpfend und soll die Offenbarung in keiner Weise beschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern gegebenenfalls gegeneinander austauschbar und in einer ausgewählten Ausführungsform verwendbar, auch wenn dies nicht gesondert dargestellt oder beschrieben ist. Auch diverse Variationen sind denkbar. Diese Variationen stellen keine Abweichung von der Offenbarung dar, und alle Modifikationen dieser Art verstehen sich als Teil der Offenbarung und fallen in ihren Schutzumfang.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer negativen Elektrode für eine elektrochemische Zelle, das Verfahren umfassend: das Beimengen eines Silizium umfassenden elektroaktiven Materials mit einer ersten Oberfläche, die mit einer ersten reaktiven Gruppe funktionalisiert ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon; ein elektrisch leitfähiges Material mit einer zweiten Oberfläche, die mit einer zweiten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist; und mindestens einen Bindemittelvorläufer umfassend eine dritte reaktive Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Anhydridgruppe und einer Kombination davon; und Umsetzen der dritten reaktiven Gruppe auf dem mindestens einen Bindemittelvorläufer mit der ersten reaktiven Gruppe auf dem elektroaktiven Material und der zweiten reaktiven Gruppe auf dem elektrisch leitfähigen Material, um ein poröses festes Elektrodenmaterial zu bilden, das ein polymeres Bindemittel umfasst, das mit dem elektroaktiven Material und dem elektrisch leitfähigen Material zur Bildung der negativen Elektrode umgesetzt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das polymere Bindemittel Polyimid (PI) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der mindestens eine Bindemittelvorläufer eine Polyamidsäure mit Anhydridendgruppen ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, worin das elektrisch leitfähige Material ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ruß, Graphit, Kohlenstofffasern, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und einer Kombination davon.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das elektroaktive Material ferner Graphit umfasst, dessen vierte Oberfläche mit einer vierten reaktiven Gruppe, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Kombination davon, funktionalisiert ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das elektroaktive Material etwa 10 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Silizium und etwa 50 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Graphit umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Funktionalisieren der ersten Oberfläche des Silizium umfassenden elektroaktiven Materials durch Umsetzen der ersten Oberfläche mit einem Silan, das die erste reaktive Gruppe umfasst, wobei die erste Oberfläche umgesetzt wird mit: einem Aminosilan und das Aminosilan umfassend γ-Aminopropyltriethoxysilan, Aminopropyltrimethoxysilan, Aminopropylmethyldiethoxysilan, Aminopropylmethyldimethoxysilan und Kombinationen davon.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Funktionalisieren der ersten Oberfläche des Silizium umfassenden elektroaktiven Materials, durch Umsetzen der ersten Oberfläche mit einem Aminosilan und einem Dianhydrid, um das Anhydrid als die erste reaktive Gruppe zu bilden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Funktionalisieren der zweiten Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials durch Umsetzen der zweiten Oberfläche mit einem Oxidationsmittel, um die Carboxylgruppe als zweite reaktive Gruppe zu bilden, worin das Oxidationsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Salpetersäure, Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid, Kaliumpermanganat, Kaliumdichromat, Sauerstoff, Wasser und einer Kombination davon; und Umsetzen der zweiten Oberfläche des elektrisch leitfähigen Materials, umfassend die Carboxylgruppe, mit einem Diamin, um die Aminogruppe als die zweite reaktive Gruppe zu bilden.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Bilden des Bindemittelvorläufers vor dem Beimengen durch Umsetzen eines Diamins mit einem Dianhydrid zur Bildung einer Anhydridgruppe und/oder Aminogruppe umfassenden Poly(amidsäure), worin das Diamin ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus 1,4-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminodiphenylether, 1,3-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminobiphenyl, Bis(4-aminophenyl)methanon und einer Kombination davon.
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