DE102020202504A1 - Anode material, battery with such an anode material and method for producing an anode material - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Anodenmaterial (8) angegeben, welches eine Anzahl von Siliziumpartikeln (10) aufweist, wobei ein jeweiliges Siliziumpartikel (10) von einer ersten Hülle (12) umgeben ist, wobei die erste Hülle (12) aus porösem Kohlenstoff (14) hergestellt ist, wobei die erste Hülle (12) zusätzlich ein elektrisch leitendes Material (18) aufweist, welches in den Kohlenstoff (14) eingebettet ist. Weiter werden eine Batterie (2) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials (8) angegeben.An anode material (8) is specified which has a number of silicon particles (10), each silicon particle (10) being surrounded by a first shell (12), the first shell (12) made of porous carbon (14) is, wherein the first shell (12) additionally has an electrically conductive material (18) which is embedded in the carbon (14). A battery (2) and a method for producing an anode material (8) are also specified.
Description
Ein Anodenmaterial dient zur Herstellung einer Anode, welche wiederum ein Teil einer Batterie ist. Batterien finden beispielsweise Verwendung in einem Elektrofahrzeug und stellen bei diesem elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsstrang bereit. Ein Beispiel für eine Batterie ist eine Lithium-Ionen-Batterie, bei welcher als Anodenmaterial beispielsweise Silizium oder Kohlenstoff verwendet wird.An anode material is used to manufacture an anode, which in turn is part of a battery. Batteries are used, for example, in an electric vehicle, where they provide electrical energy for an electric drive train. An example of a battery is a lithium-ion battery in which silicon or carbon, for example, is used as the anode material.
Eine Batterie weist eine oder mehrere Zellen auf, jede Zelle weist zwei Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode auf. Die Leistungsfähigkeit der der Batterie und jeder einzelnen Zelle hängt besonders auch von den Elektroden und den verwendeten Materialien ab. Beispielsweise ist es möglich, als Anodenmaterial eine Kombination von Siliziumpartikeln und Kohlenstoff zu verwenden. Die Verwendung von Silizium ergibt eine besonders hohe Energiedichte. Problematisch ist allerdings, dass beim wiederholten Laden und Entladen der Batterie, d.h. bei der Lithiierung des Siliziums, die Siliziumpartikel sich wiederholt ausdehnen und schrumpfen, d.h. eine Volumenänderung erfahren. Daraus ergibt sich eine mechanische Belastung. Das Silizium und der Kohlenstoff bilden ein elektrisches Netzwerk, welches durch das Ausdehnen und Schrumpfen belastet und möglicherweise beschädigt wird, mit negativer Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Batterie. Die Batterie weist also eine schlechte sogenannte Zyklenfestigkeit auf.A battery has one or more cells, each cell has two electrodes, namely an anode and a cathode. The performance of the battery and each individual cell also depends in particular on the electrodes and the materials used. For example, it is possible to use a combination of silicon particles and carbon as the anode material. The use of silicon results in a particularly high energy density. The problem, however, is that when the battery is repeatedly charged and discharged, i.e. when the silicon is lithiated, the silicon particles repeatedly expand and shrink, i.e. experience a change in volume. This results in mechanical stress. The silicon and the carbon form an electrical network that is stressed and possibly damaged by the expansion and shrinkage, with a negative effect on the performance of the battery. The battery therefore has poor so-called cycle stability.
In
In
In Yu-Guo et al., „Superior Electrode Performance of Nanostructured Mesoporous TiO2 (Anatase) through Efficient Hierarchical Mixed Conducting Networks“, Advanced Materials, 2007, wird ein Anodenmaterial beschrieben, bei welchem mesoporösem TiO2 zusätzlich RuO2 zugesetzt ist. Das mesoporöse TiO2 weist Kanäle auf, welche mit kristallinem RuO2 metallisiert werden.In Yu-Guo et al., "Superior Electrode Performance of Nanostructured Mesoporous TiO2 (Anatase) through Efficient Hierarchical Mixed Conducting Networks", Advanced Materials, 2007, an anode material is described in which mesoporous TiO2 is additionally added RuO2. The mesoporous TiO2 has channels that are metallized with crystalline RuO2.
In der
In der
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe, ein verbessertes Anodenmaterial anzugeben. Das Anodenmaterial soll eine Anode mit möglichst hoher elektrischer Leitfähigkeit und eine Batterie mit möglichst hoher Kapazität ermöglichen. Weiter sollen eine entsprechende Batterie sowie ein Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials angegeben werden.Against this background, it is an object to provide an improved anode material. The anode material should enable an anode with the highest possible electrical conductivity and a battery with the highest possible capacity. A corresponding battery and a method for producing the anode material are also to be specified.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Anodenmaterial mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch eine Batterie mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Anodenmaterial gelten sinngemäß auch für die Batterie sowie für das Verfahren und umgekehrt.The object is achieved according to the invention by an anode material with the features according to claim 1, by a battery with the features according to
Das Anodenmaterial ist ausgebildet zur Verwendung in einer Anode einer Batterie. Das Anodenmaterial weist eine Anzahl von Siliziumpartikeln auf. Unter „eine Anzahl von“ wird „ein oder mehrere“ verstanden, typischerweise weist das Anodenmaterial eine Vielzahl von Siliziumpartikeln auf. Die Anzahl an Siliziumpartikeln pro Gramm Anodenmaterial hängt insbesondere von der Größe der einzelnen Siliziumpartikel ab. Bei Siliziumpartikeln mit z.B. 20 nm mittlerem Durchmesser enthält 1 g Anodenmaterial 10^17 Siliziumpartikel. Ein einzelnes Siliziumpartikel weist vorzugsweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 100 nm. Die Siliziumpartikel bestehen insbesondere aus reinem Silizium, d.h. Si, oder aus Siliziumoxid, speziell Siliziumdioxid, d.h. SiO2, oder einer Mischung von Silizium und Siliziumoxid.The anode material is designed for use in an anode of a battery. The anode material has a number of silicon particles. “A number of” is understood to mean “one or more”; the anode material typically has a large number of silicon particles. The number of Silicon particles per gram of anode material depends in particular on the size of the individual silicon particles. In the case of silicon particles with an average diameter of 20 nm, for example, 1 g of anode material contains 10 ^ 17 silicon particles. A single silicon particle preferably has an average diameter in the range from 10 nm to 100 nm. The silicon particles consist in particular of pure silicon, ie Si, or of silicon oxide, especially silicon dioxide, ie SiO2, or a mixture of silicon and silicon oxide.
Ein jeweiliges Siliziumpartikel ist von einer ersten Hülle umgeben, d.h. umhüllt. Diese erste Hülle ist aus porösem Kohlenstoff hergestellt. Die erste Hülle weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 50 nm bis 200 nm auf, z.B. 100 nm. Der Kohlenstoff liegt vorzugsweise in Form von Graphit vor, alternativ beispielsweise in Form von amorphem Kohlenstoff, z.B. als sogenannte Acetylene Black, oder Graphenoxid. Der Kohlenstoff ist insofern porös, als dass der Kohlenstoff eine Schicht um das Siliziumpartikel herum bildet, welche mehrere Poren aufweist. Eine einzelne Pore bildet allgemein ein Loch oder eine Ausnehmung in der Kohlenstoffschicht. Beispielsweise ist eine Pore durchgängig und somit als Kanal ausgebildet und verbindet dann eine Außenseite der Hülle mit einer Innenseite der Hülle, wobei das Siliziumpartikel auf der Innenseite liegt. Alternativ oder zusätzlich sind auch nicht-durchgängige Poren möglich. Durch den porösen Kohlenstoff, speziell durch dessen Poren, ist insgesamt ein Austausch von Ladungsträgern möglich, insbesondere von Li-Ionen. Eine jeweilige Pore weist insbesondere einen Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 5 nm auf.A respective silicon particle is surrounded, i.e. encased, by a first shell. This first shell is made of porous carbon. The first shell preferably has a thickness in the range from 50 nm to 200 nm, for example 100 nm. The carbon is preferably in the form of graphite, alternatively, for example, in the form of amorphous carbon, for example as so-called acetylene black, or graphene oxide. The carbon is porous insofar as the carbon forms a layer around the silicon particle which has several pores. A single pore generally forms a hole or recess in the carbon layer. For example, a pore is continuous and thus designed as a channel and then connects an outside of the shell to an inside of the shell, the silicon particle lying on the inside. Alternatively or additionally, non-continuous pores are also possible. Through the porous carbon, especially through its pores, an exchange of charge carriers is possible overall, in particular of Li ions. A respective pore has, in particular, a diameter in the range from 1 nm to 5 nm.
Die erste Hülle weist zusätzlich ein elektrisch leitendes Material auf, welches in den Kohlenstoff eingebettet ist. Das elektrisch leitende Material ist gerade kein Kohlenstoff, sondern ein anderes Material. Dadurch, dass der Kohlenstoff porös ist, lassen sich in diesen weitere funktionale Materialien einbetten, vorliegend das elektrisch leitende Material, welches insbesondere innerhalb der Poren angeordnet ist, also freie Poren in der Schicht aus Kohlenstoff besetzt, und diese somit metallisiert. Dabei müssen nicht zwangsweise sämtliche Poren mit dem elektrisch leitenden Material versehen sein. Zweckmäßigerweise sind die Poren auch nicht vollständig durch das elektrisch leitende Material verschlossen. Zum Auftragen des elektrisch leitenden Materials sind beispielsweise „cryogenic decomposition“ oder ein Sol-Gel-Verfahren geeignet.The first shell additionally has an electrically conductive material which is embedded in the carbon. The electrically conductive material is not carbon, but a different material. Because the carbon is porous, further functional materials can be embedded in it, in this case the electrically conductive material, which is arranged in particular within the pores, that is to say occupies free pores in the layer of carbon, and thus metallizes them. All pores do not necessarily have to be provided with the electrically conductive material. The pores are also expediently not completely closed by the electrically conductive material. For example, “cryogenic decomposition” or a sol-gel process are suitable for applying the electrically conductive material.
Der Kohlenstoff und das elektrisch leitende Material der ersten Hülle bilden insbesondere ein mechanisches und zugleich elektrisches Netzwerk. Durch das zusätzliche elektrisch leitende Material ist eine Oberflächenmodifikation realisiert, welche zu einer deutlichen Verbesserung der elektrischen und ionischen Leitfähigkeit im Anodenmaterial führt. Das elektrisch leitende Material ist insofern eine oberflächenaktive Substanz und unterstütz den Ladungstransport im Anodenmaterial, speziell den Transport von Li-Ionen zum und vom jeweiligen Siliziumpartikel. Zusätzlich stabilisiert das elektrisch leitende Material auch die erste Hülle mechanisch, indem das elektrisch leitende Material mit dem Kohlenstoff verbunden ist. Das Anodenmaterial hält somit einer Volumenänderung des Siliziums besonders gut stand. Insgesamt lässt sich dadurch auch ein Anodenmaterial mit einem besonders großem Siliziumanteil realisieren, wodurch sich für eine Anode mit einem entsprechenden Anodenmaterial eine entsprechend erhöhte Kapazität ergibt.The carbon and the electrically conductive material of the first shell in particular form a mechanical and, at the same time, electrical network. The additional electrically conductive material results in a surface modification which leads to a significant improvement in the electrical and ionic conductivity in the anode material. The electrically conductive material is in this respect a surface-active substance and supports the charge transport in the anode material, especially the transport of Li ions to and from the respective silicon particle. In addition, the electrically conductive material also mechanically stabilizes the first shell in that the electrically conductive material is connected to the carbon. The anode material thus withstands a change in volume of the silicon particularly well. Overall, an anode material with a particularly large silicon content can also be implemented as a result, which results in a correspondingly increased capacitance for an anode with a corresponding anode material.
Grundsätzlich ist es auch möglich bei einer Kombination von Silizium und Kohlenstoff den relativen Anteil des Siliziums besonders gering zu wählen, um die Volumenänderung und die damit einhergehende mechanische Belastung des Netzwerks entsprechend gering zu halten. Speziell bei bestimmten Vorgaben hinsichtlich der Zyklenfestigkeit der Zelle und insgesamt der Batterie lässt sich der Anteil des Siliziums begrenzen. Dies hat allerdings den Nachteil, dass dadurch wiederum die Kapazität der einzelnen Zelle und somit die Leistungsfähigkeit der Batterie insgesamt ebenfalls begrenzt sind.In principle, it is also possible with a combination of silicon and carbon to select the relative proportion of silicon to be particularly low in order to keep the volume change and the associated mechanical load on the network correspondingly low. The proportion of silicon can be limited especially with certain specifications regarding the cycle stability of the cell and the battery as a whole. However, this has the disadvantage that it again limits the capacity of the individual cells and thus the overall performance of the battery.
Alternativ ist es auch möglich die Anode derart zu strukturieren, dass diese eine geometrische Struktur aufweist, welche die Volumenänderung aufnimmt. Die Herstellung einer solchen Anode ist jedoch aufwendig und beinhaltet typsicherweise ein Ätzverfahren mit Fluorwasserstoff (HF), welcher in der Handhabung äußerst problematisch ist. Zudem ist eine solche Herstellung langsam und kostenintensiv.Alternatively, it is also possible to structure the anode in such a way that it has a geometric structure that absorbs the change in volume. However, the production of such an anode is complex and typically includes an etching process with hydrogen fluoride (HF), which is extremely problematic in handling. In addition, such production is slow and expensive.
Demgegenüber wird durch die Einbettung des elektrisch leitenden Materials in den Kohlenstoff auf besonders einfache Weise ein verbessertes Anodenmaterial realisiert, aus welchem sich eine Anode mit besonders guter Kapazität, Zyklenfestigkeit und Leitfähigkeit fertigen lässt, mit entsprechenden Vorteilen für eine Batterie, welche eine oder mehrere solcher Anoden enthält. In contrast, by embedding the electrically conductive material in the carbon, an improved anode material is implemented in a particularly simple manner, from which an anode with particularly good capacity, cycle stability and conductivity can be manufactured, with corresponding advantages for a battery which has one or more such anodes contains.
Bevorzugterweise ist das elektrisch leitende Material Rutheniumoxid, besonders bevorzugt Rutheniumdioxid, d.h. RuO2. Rutheniumoxid ist ein metallisch leitendes Oxid. Gegenüber anderen elektrisch leitenden Materialien weist Rutheniumoxid insbesondere den Vorteil auf, dass dieses mit dem Silizium oder Siliziumoxid der Siliziumpartikel besonders gut in Wechselwirkung tritt und daher beim Auftragen auf den Kohlenstoff bevorzugt die Poren im Kohlenstoff besetzt. Rutheniumoxid ist also bei Siliziumpartikeln besonders gut in eine Kohlenstoffschicht einbettbar. Weiterhin zeichnet sich Rutheniumoxid durch besonders gute elektrische Eigenschaften sowie eine besonders gute mechanische Stabilität aus, speziell in Kombination mit dem Kohlenstoff. Außerdem weist Rutheniumoxid eine besonders gute Leitfähigkeit speziell für Li-Ionen auf.The electrically conductive material is preferably ruthenium oxide, particularly preferably ruthenium dioxide, ie RuO2. Ruthenium oxide is a metallic conductive oxide. Compared to other electrically conductive materials, ruthenium oxide has the particular advantage that it interacts particularly well with the silicon or silicon oxide of the silicon particles and therefore preferably occupies the pores in the carbon when it is applied to the carbon. In the case of silicon particles, ruthenium oxide can therefore be embedded particularly well in a carbon layer. Furthermore, ruthenium oxide is distinguished particularly good electrical properties and particularly good mechanical stability, especially in combination with the carbon. In addition, ruthenium oxide has particularly good conductivity, especially for Li ions.
Nachfolgend wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass das elektrisch leitende Material Rutheniumoxid ist.In the following, it is assumed, without loss of generality, that the electrically conductive material is ruthenium oxide.
Das elektrisch leitende Material liegt bevorzugterweise in Form von Nanopartikeln vor. Unter Nanopartikeln werden insbesondere Partikel verstanden, mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 10 nm bis 100 nm, beispielsweise 50 nm. Nanopartikel fügen sich besonders gut in den porösen Kohlenstoff ein und sind daher zur Einbettung besonders geeignet. Zweckmäßigerweise sind die Nanopartikel in etwa so groß wie die Poren.The electrically conductive material is preferably in the form of nanoparticles. Nanoparticles are understood to mean, in particular, particles with an average diameter in the range from 10 nm to 100 nm, for example 50 nm. Nanoparticles fit particularly well into the porous carbon and are therefore particularly suitable for embedding. The nanoparticles are expediently approximately as large as the pores.
Zweckmäßigerweise ist die erste Hülle unmittelbar auf ein jeweiliges Siliziumpartikel aufgetragen. Mit anderen Worten: ein jeweiliges Siliziumpartikel weist eine Oberfläche auf, auf welche die erste Hülle aufgetragen ist, sodass diese mit der Oberfläche verbunden ist. Die Hülle bildet dann eine besonders wirksame Schutzschicht um das Siliziumpartikel. Durch das in den Kohlenstoff eingebettete elektrisch leitfähige Material ist dennoch eine besonders gute Leitfähigkeit speziell von Li-Ionen in das Siliziumpartikel hinein gewährleistet. Die hohe mechanische Stabilität der ersten Hülle ermöglicht zudem in weitem Maße eine wiederholte Volumenänderung, speziell bei der Lithiierung des Siliziums.The first shell is expediently applied directly to a respective silicon particle. In other words: a respective silicon particle has a surface on which the first shell is applied so that it is connected to the surface. The shell then forms a particularly effective protective layer around the silicon particle. Due to the electrically conductive material embedded in the carbon, particularly good conductivity, especially of Li ions, into the silicon particle is guaranteed. The high mechanical stability of the first shell also enables a repeated change in volume to a large extent, especially when the silicon is lithiated.
Alternativ umschließt die erste Hülle ein Volumen, in welchem das Siliziumpartikel angeordnet ist. Das Volumen ist größer als das Siliziumpartikel in nicht-ausgedehntem Zustand und entspricht zweckmäßigerweise in etwa demjenigen Volumen, welches das Siliziumpartikel in maximal ausgedehntem Zustand einnimmt. Auf diese Weise lässt werden die negativen Effekt einer Volumenänderung, insbesondere die mechanische Belastung der ersten Hülle, wirkungsvoll vermieden.Alternatively, the first shell encloses a volume in which the silicon particle is arranged. The volume is larger than the silicon particle in the non-expanded state and expediently corresponds approximately to that volume which the silicon particle occupies in the maximally expanded state. In this way, the negative effects of a change in volume, in particular the mechanical load on the first shell, can be effectively avoided.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein jeweiliges Siliziumpartikel zusätzlich derart von einer zweiten Hülle aus porösem Kohlenstoff umgeben, dass zwischen der ersten und der zweiten Hülle ein Freiraum ausgebildet ist, welcher als Ausdehnungsvolumen für das Siliziumpartikel dient. Vorteile ergeben sich entsprechend aus den obigen Ausführungen. Insgesamt bilden die beiden Hüllen nun sozusagen eine Doppelschale. Hierbei gewährleistet die zusätzliche innere Hülle insbesondere einen guten elektrischen Kontakt zwischen dem Siliziumpartikel und der äußeren Hülle. Die eine, innere Hülle umgibt das Siliziumpartikel, um diese Anordnung herum ist der Freiraum ausgebildet und darum schließlich die andere, äußere Hülle. Zweckmäßigerweise ist die innere Hülle unmittelbar auf das Siliziumpartikel aufgetragen. Der Freiraum ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass dieser von dem Siliziumpartikel in maximal ausgedehntem Zustand und zusammen mit der inneren Hülle voll ausgefüllt wird. In nicht-ausgedehntem Zustand führt der Freiraum entsprechend zu einer Beabstandung der ersten Hülle von der zweiten Hülle.In a particularly advantageous embodiment, a respective silicon particle is additionally surrounded by a second shell made of porous carbon in such a way that a free space is formed between the first and the second shell, which space serves as an expansion volume for the silicon particle. Advantages result from the above explanations. Overall, the two covers now form a double shell, so to speak. In this case, the additional inner shell ensures, in particular, good electrical contact between the silicon particle and the outer shell. One, inner shell surrounds the silicon particle, the free space is formed around this arrangement and, finally, the other, outer shell is formed around it. The inner shell is expediently applied directly to the silicon particle. The free space is preferably dimensioned in such a way that it is completely filled by the silicon particle in the maximally expanded state and together with the inner shell. In the non-expanded state, the free space leads accordingly to a spacing of the first shell from the second shell.
Typischerweise zeigt ein Siliziumpartikel beim Übergang vom nicht-ausgedehnten Zustand zum maximal ausgedehnten Zustand eine Volumenänderung von etwa 300 %. Entsprechend sind vorzugsweise der Freiraum und die äußere Hülle dimensioniert.Typically, a silicon particle shows a change in volume of about 300% on the transition from the non-expanded state to the maximally expanded state. The free space and the outer shell are preferably dimensioned accordingly.
Die zweite Hülle weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 1 nm bis 20 nm auf, besonders bevorzugt von 5 nm bis 10 nm. Grundsätzlich ist auch eine Ausgestaltung geeignet, bei welcher die erste und die zweite Hülle ähnliche oder gleiche Dicken aufweisen.The second shell preferably has a thickness in the range from 1 nm to 20 nm, particularly preferably from 5 nm to 10 nm. In principle, an embodiment is also suitable in which the first and the second shell have similar or identical thicknesses.
Bei der Ausgestaltung mit erster und zweiter Hülle ist es zunächst unerheblich, welche der beiden Hüllen innen liegt und welche außen liegt, in welche Hülle also zusätzlich das elektrisch leitfähige Material eingebettet ist. Beide möglichen Ausgestaltungen sind grundsätzlich vorteilhaft. Besonders zweckmäßig ist eine Ausgestaltung, bei welcher auch in den Kohlenstoff in der zweiten Hülle ein elektrisch leitendes Material eingebettet ist. Vorzugsweise ist das elektrisch leitende Material in der zweiten Hülle das gleiche Material wie in der ersten Hülle, dies ist jedoch an sich nicht zwingend.In the embodiment with first and second sheaths, it is initially irrelevant which of the two sheaths is on the inside and which is on the outside, i.e. in which case the electrically conductive material is additionally embedded. Both possible configurations are fundamentally advantageous. An embodiment is particularly useful in which an electrically conductive material is also embedded in the carbon in the second shell. The electrically conductive material in the second shell is preferably the same material as in the first shell, but this is not essential per se.
In einer möglichen und geeigneten Ausgestaltung ist dann ein jeweiliges Siliziumpartikel vorzugsweise unmittelbar von einer Hülle aus Kohlenstoff mit darin eingebettetem elektrisch leitendem Material umgeben, sodass ein umhülltes Siliziumpartikel ausgebildet ist, welches dann von einer weiteren Hülle aus Kohlenstoff mit darin eingebettetem elektrisch leitendem Material umgeben ist, wobei zwischen den beiden Hüllen in nicht-ausgedehntem Zustand des Siliziumpartikels ein Freiraum als Ausdehnungsvolumen ausgebildet ist. Das Siliziumpartikel und die innere Hülle bilden dann einen Kern, sodass in Kombination mit der zweiten Hülle eine Kern-Hülle-Struktur realisiert ist.In a possible and suitable embodiment, a respective silicon particle is then preferably directly surrounded by a shell made of carbon with electrically conductive material embedded therein, so that a coated silicon particle is formed which is then surrounded by a further shell made of carbon with electrically conductive material embedded therein, wherein a free space is formed as an expansion volume between the two shells in the non-expanded state of the silicon particle. The silicon particle and the inner shell then form a core, so that a core-shell structure is implemented in combination with the second shell.
Die Hüllen müssen nicht zwingend jeweils als diskrete Hüllen einzeln für jedes der Siliziumpartikel ausgebildet sein. Vielmehr ist eine Ausgestaltung geeignet, bei welcher im Falle nur jeweils einer Hülle die ersten Hüllen und im Falle von jeweils zwei Hüllen die äußeren Hüllen miteinander verbunden sind und ein übergeordnetes Netzwerk bilden, mit Kammern, in welchen dann jeweils ein Siliziumpartikel angeordnet. Zweckmäßigerweise ist in jeder Kammer lediglich ein Siliziumpartikel angeordnet und die Kammer bildet einen zugleich einen Freiraum als Ausdehnungsvolumen. Das übergeordnete Netzwerk gewährleistet dann eine besonders hohe mechanische Stabilität.The shells do not necessarily have to be designed individually as discrete shells for each of the silicon particles. Rather, an embodiment is suitable in which, in the case of only one shell in each case, the first shells and, in the case of two shells, the outer shells are connected to one another and form a superordinate network, with chambers in each of which a silicon particle is then placed arranged. Expediently, only one silicon particle is arranged in each chamber and the chamber also forms a free space as an expansion volume. The higher-level network then ensures a particularly high mechanical stability.
Zweckmäßigerweise weist eine Batterie eine Anode auf, welche aus einem Anodenmaterial wie vorstehend beschrieben hergestellt ist. Die Batterie ist vorzugsweise ausgebildet zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, speziell einem nicht-schienengebundenen Personenkraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang. Die Batterie ist vorzugsweise eine Li-Ionen-Batterie.A battery expediently has an anode which is produced from an anode material as described above. The battery is preferably designed for use in an electric or hybrid vehicle, especially a non-rail passenger vehicle with an electric drive train. The battery is preferably a Li-ion battery.
Bei dem Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials wird eine Anzahl von Siliziumpartikeln jeweils mit einer ersten Hülle umgeben und die erste Hülle wird zunächst aus porösem Kohlenstoff hergestellt. Anschließend wird in den Kohlenstoff der ersten Hülle ein elektrisch leitendes Material eingebettet. Hierzu eignen sich beispielsweise eine sogenannte „cryogenic decomposition“ oder ein Sol-Gel-Verfahren.In the method for producing an anode material, a number of silicon particles are each surrounded by a first shell, and the first shell is initially produced from porous carbon. An electrically conductive material is then embedded in the carbon of the first shell. For example, what is known as “cryogenic decomposition” or a sol-gel process are suitable for this purpose.
Wie bereits zuvor erwähnt ist eine Ausgestaltung mit Doppelschale besonders vorteilhaft. Hierzu wird in einer geeigneten Ausgestaltung des Verfahrens ein jeweiliges Siliziumpartikel zusätzlich derart von einer zweiten Hülle aus porösem Kohlenstoff umgeben, dass zwischen der ersten und der zweiten Hülle ein Freiraum ausgebildet wird, welcher als Ausdehnungsvolumen für das Siliziumpartikel dient. Dabei wird der Freiraum ausgebildet, indem auf diejenige der beiden Hüllen, welche weiter innen liegt, d.h. die innere Hülle, welche näher am Siliziumpartikel liegt, eine Opferschicht aufgetragen wird. Auf diese Opferschicht wird anschließend die andere der beiden Hüllen aufgetragen. Die Opferschicht wird dann entfernt, sodass die beiden Hüllen mit dem Freiraum dazwischen verbleiben.As already mentioned above, a configuration with a double shell is particularly advantageous. For this purpose, in a suitable embodiment of the method, a respective silicon particle is additionally surrounded by a second shell made of porous carbon in such a way that a free space is formed between the first and second shell, which space serves as an expansion volume for the silicon particle. The free space is created by applying a sacrificial layer to that of the two shells that is further inside, i.e. the inner shell that is closer to the silicon particle. The other of the two casings is then applied to this sacrificial layer. The sacrificial layer is then removed, leaving the two shells with the space in between.
Bevorzugterweise wird die Opferschicht mittels eines Pyrolyseverfahrens entfernt. Ein Pyrolyseverfahren ist deutlich einfacher, sicherer und kostengünstiger als beispielsweise ein Ätzverfahren mit Fluorwasserstoff. Die Opferschicht wird in einer geeigneten Ausgestaltung aus Schwefel hergestellt, welcher sich besonders für eine Entfernung mittels eines Pyrolyseverfahrens eignet.The sacrificial layer is preferably removed by means of a pyrolysis process. A pyrolysis process is significantly simpler, safer and more cost-effective than, for example, an etching process with hydrogen fluoride. In a suitable embodiment, the sacrificial layer is produced from sulfur, which is particularly suitable for removal by means of a pyrolysis process.
Die äußere Hülle wird in einer geeigneten Ausgestaltung dadurch hergestellt, dass auf die innere Hülle zunächst eine Opferschicht aufgetragen wird, auf welche dann die zweite Hülle aufgetragen wird. Anschließend wird die Opferschicht entfernt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Opferschicht aus Schwefel hergestellt und mittels eines Pyrolyseverfahren z.B. bei einer Temperatur von 800 °C entfernt.In a suitable embodiment, the outer shell is produced by first applying a sacrificial layer to the inner shell, onto which the second shell is then applied. The sacrificial layer is then removed. In a particularly preferred embodiment, the sacrificial layer is made from sulfur and removed by means of a pyrolysis process, e.g. at a temperature of 800 ° C.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
-
1 eine Batterie, -
2 ein Siliziumpartikel, -
3 das Siliziumpartikel aus 2 mit einer ersten Hülle, -
4 die Anordnung aus3 mit einer zusätzlichen Opferschicht, -
5 die Anordnung aus4 mit einer zweiten Hülle, -
6 ein Siliziumpartikel mit zwei Hüllen und in nicht-ausgedehntem Zustand, -
7 die Anordnung aus6 mit dem Siliziumpartikel in maximal ausgedehntem Zustand.
-
1 a battery, -
2 a silicon particle, -
3 the silicon particle from2 with a first shell, -
4th the arrangement3 with an additional sacrificial layer, -
5 the arrangement4th with a second cover, -
6th a silicon particle with two shells and in a non-expanded state, -
7th the arrangement6th with the silicon particle in a maximally expanded state.
Die Batterie
Das Anodenmaterial
Ein jeweiliges Siliziumpartikel
Die erste Hülle
Vorliegend ist das elektrisch leitende Material
Das elektrisch leitende Material
In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die erste Hülle
Vorliegend sind die beiden vorgenannten Ausgestaltungen mit einer unmittelbar auf das Siliziumpartikel
In jedem Fall bildet ist eine der beiden Hüllen
Die
Für die Ausbildung einer Doppelschale wird ein jeweiliges Siliziumpartikel zusätzlich von einer zweiten Hülle
Aufgrund des Freiraums
Die Hüllen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 22
- Batteriebattery
- 44th
- Anode, ElektrodeAnode, electrode
- 66th
- Elektrodeelectrode
- 88th
- AnodenmaterialAnode material
- 1010
- SiliziumpartikelSilicon particles
- 1212th
- erste Hüllefirst shell
- 1414th
- Kohlenstoffcarbon
- 1616
- Porepore
- 1818th
- elektrisch leitendes Materialelectrically conductive material
- 2020th
- zweite Hüllesecond shell
- 2222nd
- Freiraumfree space
- 2424
- innere Hülleinner shell
- 2626th
- äußere Hülleouter shell
- 2828
- Opferschicht Sacrificial layer
- D1D1
- Durchmesser (des Siliziumpartikels)Diameter (of the silicon particle)
- D2D2
- Dicke (der ersten Hülle)Thickness (of the first shell)
- D3D3
- Durchmesser (einer Pore)Diameter (of a pore)
- D4D4
- Durchmesser (eines Nanopartikels)Diameter (of a nanoparticle)
- D5D5
- Dicke (der zweiten Hülle)Thickness (of the second shell)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2017/0162868 A1 [0006]US 2017/0162868 A1 [0006]
- US 2013/0122401 A1 [0007]US 2013/0122401 A1 [0007]
Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Baasner et al., „Sulfur: an intermediate template for advanced silicon anode architectures“, Journal of Materials Chemistry A, 2018 [0003]Baasner et al., "Sulfur: an intermediate template for advanced silicon anode architectures", Journal of Materials Chemistry A, 2018 [0003]
- Xie et al., „Core-shell yolk-shell Si@C@Void@C nanohybrids as advanced lithium ion battery anodes with good electronic conductivity and corrosion resistance“, Journal of Power Sources, 2016 [0004]Xie et al., "Core-shell yolk-shell Si @ C @ Void @ C nanohybrids as advanced lithium ion battery anodes with good electronic conductivity and corrosion resistance", Journal of Power Sources, 2016 [0004]
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-
2020
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