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 Baasner et al., „Sulfur: an intermediate template for advanced silicon anode architectures“, Journal of Materials Chemistry A, 2018 wird beschrieben, dass nanostrukturierte Silizium-Kohlenstoff-Zusammensetzungen mit freiem Volumen zwischen einem Siliziumkern und einer Kohlenstoffhülle die Volumenänderung aufnehmen können. Weiter wird beschrieben, dass ein freies Volumen dadurch erhältlich ist, dass zunächst Schwefel und anschließend Saccharose auf die Siliziumkerne aufgetragen werden, um dann während einer Polymerisation der Saccharose zugleich den Schwefel zu entfernen.In Baasner et al., “Sulfur: an intermediate template for advanced silicon anode architectures”, Journal of Materials Chemistry A, 2018 it is described that nanostructured silicon-carbon compositions with free volume between a silicon core and a carbon shell can absorb the change in volume. It is also described that a free volume can be obtained by first applying sulfur and then sucrose to the silicon cores in order to then remove the sulfur at the same time during the polymerization of the sucrose.

In 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 , wird beschrieben, dass eine sogenannte yolk-shell-Struktur, bei welcher Silizium innerhalb eines freien Volumens in einer Kohlenstoffhülle angeordnet ist, einige Nachteile aufweist, nämlich einen geringen elektrischen Kontakt zwischen Silizium und Kohlenstoff einerseits und die Gefahr einer Korrosion des Siliziums durch Elektrolyte von außen andererseits. Eine sogenannte core-shell-Struktur dagegen, bei welcher der Kohlenstoff direkt auf das Silizium aufgetragen ist, weist jedoch die bereits beschriebenen Nachteile bei einer Volumenänderung auf. Daher wird eine Struktur beschrieben, bei welcher das Silizium der yolk-shell-Struktur durch eine zusätzliche Kohlenstoffhülle passiviert wird.In 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 , it is described that a so-called yolk shell structure, in which silicon is arranged within a free volume in a carbon shell, has some disadvantages, namely a low electrical contact between silicon and carbon on the one hand and the risk of corrosion of the silicon by electrolytes from outside on the other. In contrast, a so-called core-shell structure, in which the carbon is applied directly to the silicon, has the disadvantages already described when there is a change in volume. A structure is therefore described in which the silicon of the yolk shell structure is passivated by an additional carbon shell.

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 US 2017/0162868 A1 wird ein Verfahren beschreiben, bei welchem auf Siliziumpartikeln eine dünne Metallschicht aufgetragen wird, durch welche die elektrische Leitfähigkeit auf der Oberfläche der Siliziumpartikel erhöht werden kann. Darauf wird wiederum Kohlenstoff aufgetragen. Durch einen Ätzprozess mit Fluorwasserstoff (HF) werden anschließend Nanoporen hergestellt, welche eine Volumenänderung abfangen können.In the US 2017/0162868 A1 describes a method in which a thin metal layer is applied to silicon particles, by means of which the electrical conductivity on the surface of the silicon particles can be increased. Carbon is then applied again. By means of an etching process with hydrogen fluoride (HF), nanopores are then produced, which can absorb a change in volume.

In der US 2013/0122401 A1 wird ein Schichtstruktur beschrieben, welche ein Substrat aus z.B. Titan aufweist sowie eine RuO2-Beschichtung auf zumindest einem Teil des Substrats und eine Mehrzahl von Platin-Nanopartikeln auf der RuO2-Beschichtung. Weiter wird eine Brennstoffzelle beschrieben, welche eine Anode mit der genannten Schichtstruktur aufweist.In the US 2013/0122401 A1 a layer structure is described which has a substrate made of titanium, for example, as well as a RuO2 coating on at least part of the substrate and a plurality of platinum nanoparticles on the RuO2 coating. A fuel cell is also described which has an anode with the above-mentioned layer structure.

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 claim 8 and by a method with the features according to claim 9. Advantageous configurations, developments and variants are the subject of the subclaims. The statements in connection with the anode material also apply mutatis mutandis to the battery and to the method and vice versa.

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 aus 3 mit einer zusätzlichen Opferschicht,
  • 5 die Anordnung aus 4 mit einer zweiten Hülle,
  • 6 ein Siliziumpartikel mit zwei Hüllen und in nicht-ausgedehntem Zustand,
  • 7 die Anordnung aus 6 mit dem Siliziumpartikel in maximal ausgedehntem Zustand.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. They each show schematically:
  • 1 a battery,
  • 2 a silicon particle,
  • 3 the silicon particle from 2 with a first shell,
  • 4th the arrangement 3 with an additional sacrificial layer,
  • 5 the arrangement 4th with a second cover,
  • 6th a silicon particle with two shells and in a non-expanded state,
  • 7th the arrangement 6th with the silicon particle in a maximally expanded state.

1 zeigt beispielhaft eine Batterie 2 mit zwei Elektroden 4, 6. Eine der beiden Elektroden 4, 6 ist eine Anode 4, welche aus einem Anodenmaterial 8 hergestellt ist. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Anodenmaterials 8 ist ausschnittweise in den 6, 7 gezeigt, welche ein einzelnes Siliziumpartikel in unterschiedlichen Ausdehnungszuständen zeigen. Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials 8 wird weiter unten anhand der 2 bis 5 erläutert wird. Die Figuren zeigen jeweils Schnittansichten. 1 shows an example of a battery 2 with two electrodes 4th , 6th . One of the two electrodes 4th , 6th is an anode 4th , which are made of an anode material 8th is made. An embodiment of such an anode material 8th is partially in the 6th , 7th shown, which show a single silicon particle in different states of expansion. An exemplary embodiment of a method for producing the anode material 8th is explained below using the 2 until 5 is explained. The figures each show sectional views.

Die Batterie 2 in 1 ist beispielhaft ausgebildet zur Verwendung in einem nicht explizit dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeug, speziell einem nicht-schienengebundenen Personenkraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang, und dient dort zur Versorgung des Antriebsstrangs mit elektrischer Energie. Vorliegend ist die Batterie 2 eine Li-lonen-Batterie.The battery 2 in 1 is designed as an example for use in an electric or hybrid vehicle that is not explicitly shown, especially a non-rail passenger vehicle with an electric drive train, and is used there to supply the drive train with electrical energy. Here is the battery 2 a Li-ion battery.

Das Anodenmaterial 8 weist eine Anzahl von Siliziumpartikeln 10 auf, wobei unter „eine Anzahl von“ grundsätzlich „ein oder mehrere“ verstanden wird und wobei das Anodenmaterial typischerweise eine Vielzahl von Siliziumpartikeln 10 aufweist. Ein Beispiel eines einzelnen Siliziumpartikels 10 ist in 2 gezeigt. Ein einzelnes Siliziumpartikel 10 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen mittleren Durchmesser D1 im Bereich von 10 nm bis 100 nm auf. Die Siliziumpartikel 10 bestehen hier aus reinem Silizium oder aus Siliziumoxid, speziell Siliziumdioxid, oder einer Mischung von beidem.The anode material 8th has a number of silicon particles 10 on, where “a number of” is basically understood to mean “one or more” and where the anode material typically has a large number of silicon particles 10 having. An example of a single silicon particle 10 is in 2 shown. A single silicon particle 10 has a mean diameter in the exemplary embodiment shown D1 in the range from 10 nm to 100 nm. The silicon particles 10 consist of pure silicon or silicon oxide, especially silicon dioxide, or a mixture of both.

Ein jeweiliges Siliziumpartikel 10 ist von einer ersten Hülle 12 umgeben, d.h. umhüllt. Diese erste Hülle 12 ist aus porösem Kohlenstoff 14 hergestellt und weist hier eine Dicke D2 im Bereich von 50 nm bis 200 nm auf. Der Kohlenstoff 14 ist insofern porös, als dass dieser eine Schicht um das Siliziumpartikel 10 herum bildet, welche mehrere Poren 16 aufweist, wodurch insgesamt ein Austausch von Ladungsträgern möglich, insbesondere von Li-lonen. Eine jeweilige Pore 16 weist beispielsweise einen Durchmesser D3 im Bereich von 5 nm bis 10 nm auf.A respective silicon particle 10 is from a first shell 12th surrounded, ie enveloped. This first shell 12th is made of porous carbon 14th produced and has a thickness here D2 in the range of 50 nm up to 200 nm. The carbon 14th is porous in that it has a layer around the silicon particle 10 around which forms several pores 16 has, whereby an exchange of charge carriers, in particular Li ions, is possible overall. A respective pore 16 has a diameter, for example D3 in the range from 5 nm to 10 nm.

Die erste Hülle 12 weist zusätzlich ein elektrisch leitendes Material 18 auf, welches in den Kohlenstoff 14 eingebettet ist und freie Poren 16 in der Schicht aus Kohlenstoff 14 besetzt. Dabei müssen nicht zwangsweise sämtliche Poren 16 mit dem elektrisch leitenden Material 18 versehen sein. Der Kohlenstoff 14 und das elektrisch leitende Material 18 der ersten Hülle 12 bilden ein mechanisches und zugleich elektrisches Netzwerk. Ein Beispiel für ein Siliziumpartikel 10 mit einer ersten Hülle 12 aus Kohlenstoff 14, in welchen elektrisch leitendes Material 18 eingebettet ist, ist in 2 gezeigt.The first shell 12th additionally has an electrically conductive material 18th on which in the carbon 14th is embedded and free pores 16 in the layer of carbon 14th occupied. All pores do not necessarily have to be 16 with the electrically conductive material 18th be provided. The carbon 14th and the electrically conductive material 18th the first shell 12th form a mechanical and electrical network at the same time. An example of a silicon particle 10 with a first shell 12th made of carbon 14th , in which electrically conductive material 18th is embedded is in 2 shown.

Vorliegend ist das elektrisch leitende Material 18 Rutheniumoxid, speziell Rutheniumdioxid. Dieses tritt mit dem Silizium oder Siliziumoxid der Siliziumpartikel 10 in Wechselwirkung und besetzt beim Auftragen auf den Kohlenstoff 14 bevorzugt die Poren 16.In the present case, the electrically conductive material is 18th Ruthenium oxide, especially ruthenium dioxide. This occurs with the silicon or silicon oxide of the silicon particles 10 interacting and occupied when applied to the carbon 14th prefers the pores 16 .

Das elektrisch leitende Material 18 liegt zudem in den gezeigten Ausführungsbeispielen in Form von Nanopartikeln vor, hier speziell mit einem mittleren Durchmesser D4 im Bereich von 5 nm bis 10 nm.The electrically conductive material 18th is also present in the exemplary embodiments shown in the form of nanoparticles, here specifically with a mean diameter D4 in the range from 5 nm to 10 nm.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die erste Hülle 12 unmittelbar auf ein jeweiliges Siliziumpartikel 10 aufgetragen. In einer nicht gezeigten Alternative umschließt die erste Hülle 12 dagegen ein Volumen, in welchem das Siliziumpartikel 10 angeordnet ist, wobei das Volumen größer ist als das Siliziumpartikel 10 in einem nicht-ausgedehntem Zustand und wobei das Volumen weiter in etwa demjenigen Volumen entspricht, welches das Siliziumpartikel 10 in einem maximal ausgedehntem Zustand einnimmt.In the exemplary embodiments shown, the first shell is 12th directly to a respective silicon particle 10 applied. In an alternative, not shown, the first envelope encloses 12th on the other hand, a volume in which the silicon particle 10 is arranged, the volume being greater than the silicon particle 10 in a non-expanded state and wherein the volume further corresponds approximately to that volume which the silicon particle 10 occupies in a maximally expanded state.

Vorliegend sind die beiden vorgenannten Ausgestaltungen mit einer unmittelbar auf das Siliziumpartikel 10 aufgebrachten Hülle einerseits und einer beabstandeten Hülle andererseits kombiniert, indem wie speziell in den 6 und 7 erkennbar ist ein jeweiliges Siliziumpartikel 10 zusätzlich derart von einer zweiten Hülle 20 aus porösem Kohlenstoff 14 umgeben ist, dass zwischen der ersten Hülle 12 und der zweiten Hülle 20 ein Freiraum 22 ausgebildet ist, welcher als Ausdehnungsvolumen für das Siliziumpartikel 10 dient. Insgesamt bilden die beiden Hüllen 12, 20 eine Doppelschale. Dabei ist es unerheblich, welche der beiden Hüllen 12, 20 innen liegt und welche außen liegt, in welche Hülle 12 also zusätzlich das elektrisch leitfähige Material 18 eingebettet ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist auch in den Kohlenstoff 14 in der zweiten Hülle 20 ein elektrisch leitendes Material 18 eingebettet, welches hier zudem auch das gleiche Material 18 wie in der ersten Hülle 12 ist. Dies ist jedoch an sich nicht zwingend. Weiter weist die zweite Hülle 20 hier eine Dicke D5 im Bereich von 10 nm bis 20 nm auf. Grundsätzlich ist auch eine Ausgestaltung geeignet, bei welcher die erste und die zweite Hülle unterschiedliche Dicken aufweisen.In the present case, there are the two aforementioned configurations with one directly on the silicon particle 10 Applied shell on the one hand and a spaced-apart shell on the other hand combined by how specifically in the 6th and 7th a respective silicon particle can be seen 10 in addition, from a second shell 20th made of porous carbon 14th that is surrounded between the first shell 12th and the second shell 20th a free space 22nd is formed, which as an expansion volume for the silicon particle 10 serves. In total, the two shells form 12th , 20th a double shell. It does not matter which of the two covers 12th , 20th inside and which is outside, in which shell 12th so additionally the electrically conductive material 18th is embedded. In the embodiments shown is also in the carbon 14th in the second shell 20th an electrically conductive material 18th embedded, which is also the same material here 18th like in the first shell 12th is. However, this is not mandatory per se. Next has the second shell 20th a fat one here D5 in the range from 10 nm to 20 nm. In principle, an embodiment is also suitable in which the first and second sheaths have different thicknesses.

In jedem Fall bildet ist eine der beiden Hüllen 12, 20 eine innere Hülle 24 und die andere der beiden Hüllen 12, 20 ist dann eine äußere Hülle 26. Die innere Hülle 24 umgibt das Siliziumpartikel 10, um diese Anordnung herum ist der Freiraum 22 ausgebildet und darum schließlich die äußere Hülle 26. Der Freiraum 22 ist vorliegend derart dimensioniert, dass dieser von dem Siliziumpartikel 10 in einem maximal ausgedehntem Zustand wie in 7 gezeigt und zusammen mit der inneren Hülle 24 voll ausgefüllt wird. In einem nicht-ausgedehntem Zustand wie in 6 gezeigt führt der Freiraum 22 entsprechend zu einer Beabstandung der ersten Hülle 12 von der zweiten Hülle 20.In each case it forms one of the two shells 12th , 20th an inner shell 24 and the other of the two covers 12th , 20th is then an outer shell 26th . The inner shell 24 surrounds the silicon particle 10 Around this arrangement is the free space 22nd formed and therefore finally the outer shell 26th . The free space 22nd is in the present case dimensioned in such a way that it is separated from the silicon particle 10 in a maximally expanded state as in 7th shown and together with the inner shell 24 is filled out in full. In a non-expanded state as in 6th shown is the lead 22nd corresponding to a spacing of the first shell 12th from the second shell 20th .

Die 2 bis 6 zeigen zudem in der gezeigten Reihenfolge ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials 6. Dabei wird von einer Anzahl von Siliziumpartikeln 10 wie in 2 gezeigt ausgegangen. Die Siliziumpartikel 10 werden wie in 3 gezeigt jeweils mit einer ersten Hülle 12 umgeben, welche zunächst aus porösem Kohlenstoff 14 hergestellt wird, in welchen anschließend ein elektrisch leitendes Material 18 eingebettet wird, hier speziell Rutheniumoxid in Form von Nanopartikeln. Zum Einbetten eignen sich beispielsweise eine sogenannte „cryogenic decomposition“ oder ein Sol-Gel-Verfahren.the 2 until 6th also show, in the order shown, an exemplary method for producing the anode material 6th . It is made of a number of silicon particles 10 as in 2 shown went out. The silicon particles 10 will be like in 3 each shown with a first cover 12th surrounded, which initially made of porous carbon 14th is produced, in which then an electrically conductive material 18th is embedded, here especially ruthenium oxide in the form of nanoparticles. For example, a so-called “cryogenic decomposition” or a sol-gel process are suitable for embedding.

Für die Ausbildung einer Doppelschale wird ein jeweiliges Siliziumpartikel zusätzlich von einer zweiten Hülle 20 aus porösem Kohlenstoff 14 umgeben, nämlich derart dass zwischen der ersten Hülle 12 und der zweiten Hülle 20 ein Freiraum 22 ausgebildet wird, welcher als Ausdehnungsvolumen für das Siliziumpartikel 10 dient. Dabei wird der Freiraum 22 ausgebildet, indem auf die innere Hülle 24, welche hier auch die erste Hülle 12 ist, eine Opferschicht 28 z.B. aus Schwefel aufgetragen wird. Dies ist in 4 gezeigt. Auf diese Opferschicht 28 wird anschließend wie in 5 gezeigt die äußere Hülle 26 aufgetragen, welche hier die zweite Hülle 20 ist. Die Opferschicht 28 wird dann entfernt, beispielsweise mittels eines Pyrolyseverfahrens, sodass die beiden Hüllen 12, 20 mit dem Freiraum 22 dazwischen verbleiben, wie in den 6 und 7 gezeigt.For the formation of a double shell, a respective silicon particle is additionally covered by a second shell 20th made of porous carbon 14th surrounded, namely in such a way that between the first shell 12th and the second shell 20th a free space 22nd is formed, which as an expansion volume for the silicon particle 10 serves. Thereby the free space 22nd formed by placing on the inner shell 24 , which is also the first shell here 12th is, a sacrificial layer 28 for example from sulfur is applied. This is in 4th shown. On this sacrificial layer 28 is then as in 5 shown the outer shell 26th applied, which here is the second shell 20th is. The sacrificial layer 28 is then removed, for example by means of a pyrolysis process, so that the two shells 12th , 20th with the free space 22nd remain in between, as in the 6th and 7th shown.

Aufgrund des Freiraums 22 ist nun eine Volumenänderung des Siliziumpartikels 10 mit der umliegenden inneren Hülle 24 möglich, ohne die äußere Hülle 26 übermäßig mechanisch zu belasten. Dies ist erkennbar beim Vergleich von 6, welche das Siliziumpartikel 10 in einem nicht-ausgedehnten Zustand zeigt, und 7, welche das Siliziumpartikel 10 in einem maximal ausgedehnten Zustand zeigt.Because of the space 22nd is now a change in volume of the silicon particle 10 with the surrounding inner shell 24 possible without the outer shell 26th excessively mechanical stress. This can be seen when comparing 6th , which is the silicon particle 10 shows in a non-expanded state, and 7th , which is the silicon particle 10 shows in a maximally expanded state.

Die Hüllen 12, 20 müssen nicht zwingend jeweils als diskrete Hüllen 12, 20 einzeln für jedes der Siliziumpartikel 10 ausgebildet sein. Vielmehr ist ausgehend von 7 in einer nicht explizit gezeigten Ausgestaltung die äußere Hülle 26 mit weiteren äußeren Hüllen 26 um andere Siliziumpartikel 10 herum verbunden. Ebenfalls möglich ist eine nicht explizit gezeigte Ausgestaltung, bei welcher ausgehend von nur einer jeweiligen Hülle 12 mit oder ohne Freiraum 22 die Hüllen 12 mehrerer Siliziumpartikel 10 miteinander verbunden sind. In jedem Fall wird bei mehreren Siliziumpartikeln 10 dann durch die Hüllen 12, 26 ein übergeordnetes Netzwerk gebildet, mit Kammern, in welchen dann jeweils ein Siliziumpartikel 10 angeordnet.The shells 12th , 20th do not necessarily have to be discrete covers 12th , 20th individually for each of the silicon particles 10 be trained. Rather, it is based on 7th in an embodiment not explicitly shown, the outer shell 26th with further outer covers 26th around other silicon particles 10 connected around. An embodiment not explicitly shown is also possible, in which starting from only one respective shell 12th with or without space 22nd the shells 12th several silicon particles 10 are connected to each other. In any case, if there are several silicon particles 10 then through the covers 12th , 26th a superordinate network is formed, with chambers, in each of which a silicon particle is then formed 10 arranged.

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]

Claims (10)

Anodenmaterial (8), 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.Anode material (8) which has a number of silicon particles (10), - wherein a respective silicon particle (10) is surrounded by a first shell (12), - wherein the first shell (12) is made of porous carbon (14), - The first shell (12) additionally having an electrically conductive material (18) which is embedded in the carbon (14). Anodenmaterial (8) nach Anspruch 1, wobei das elektrisch leitende Material (18) Rutheniumoxid ist.Anode material (8) Claim 1 wherein the electrically conductive material (18) is ruthenium oxide. Anodenmaterial (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das elektrisch leitende Material (18) in Form von Nanopartikeln vorliegt.Anode material (8) Claim 1 or 2 wherein the electrically conductive material (18) is in the form of nanoparticles. Anodenmaterial (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Hülle (12) unmittelbar auf ein jeweiliges Siliziumpartikel (10) aufgetragen ist.Anode material (8) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the first shell (12) is applied directly to a respective silicon particle (10). Anodenmaterial (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein jeweiliges Siliziumpartikel (10) zusätzlich derart von einer zweiten Hülle (20) aus porösem Kohlenstoff (14) umgeben ist, dass zwischen der ersten Hülle (12) und der zweiten Hülle (20) ein Freiraum (22) ausgebildet ist, welcher als Ausdehnungsvolumen für das Siliziumpartikel (10) dient.Anode material (8) according to one of the Claims 1 until 4th , wherein a respective silicon particle (10) is additionally surrounded by a second shell (20) made of porous carbon (14) in such a way that a free space (22) is formed between the first shell (12) and the second shell (20), which serves as an expansion volume for the silicon particle (10). Anodenmaterial (8) nach Anspruch 5, wobei auch in den Kohlenstoff (14) in der zweiten Hülle (20) ein elektrisch leitendes Material (18) eingebettet ist, welches das gleiche Material (18) ist wie in der ersten Hülle (12).Anode material (8) Claim 5 wherein an electrically conductive material (18) is also embedded in the carbon (14) in the second shell (20), which is the same material (18) as in the first shell (12). Anodenmaterial (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein jeweiliges Siliziumpartikel (10) einen mittleren Durchmesser (D1) im Bereich von 10 nm bis 100 nm aufweist.Anode material (8) according to one of the Claims 1 until 6th , wherein a respective silicon particle (10) has an average diameter (D1) in the range from 10 nm to 100 nm. Batterie (2), welche eine Anode (4) aufweist, welche aus einem Anodenmaterial (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt ist.Battery (2) which has an anode (4) made of an anode material (8) according to one of the Claims 1 until 7th is made. Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials (8), - wobei eine Anzahl von Siliziumpartikeln (10) jeweils mit einer ersten Hülle (12) umgeben wird, - wobei zunächst die erste Hülle (12) aus porösem Kohlenstoff (14) hergestellt wird, - wobei anschließend in den Kohlenstoff (14) der ersten Hülle (12) ein elektrisch leitendes Material (18) eingebettet wird.Method for producing an anode material (8), - wherein a number of silicon particles (10) are each surrounded by a first shell (12), - First, the first shell (12) is made of porous carbon (14), - An electrically conductive material (18) is then embedded in the carbon (14) of the first shell (12). Verfahren nach Anspruch 9, - wobei ein jeweiliges Siliziumpartikel (10) zusätzlich derart von einer zweiten Hülle (20) aus porösem Kohlenstoff (14) umgeben wird, dass zwischen der ersten Hülle (12) und der zweiten Hülle (20) ein Freiraum (22) ausgebildet wird, welcher als Ausdehnungsvolumen für das Siliziumpartikel (10) dient, - wobei der Freiraum (22) ausgebildet wird, indem auf diejenige der beiden Hüllen (12, 20), welche weiter innen liegt, eine Opferschicht (28) aufgetragen wird, auf welche anschließend die andere der beiden Hüllen (12, 20) aufgetragen wird, und indem dann die Opferschicht (28) mittels eines Pyrolyseverfahrens entfernt wird.Procedure according to Claim 9 - wherein a respective silicon particle (10) is additionally surrounded by a second shell (20) made of porous carbon (14) in such a way that a free space (22) is formed between the first shell (12) and the second shell (20), which serves as the expansion volume for the silicon particle (10), - the free space (22) being formed by applying a sacrificial layer (28) to that of the two shells (12, 20) which is further inside, onto which the the other of the two shells (12, 20) is applied, and by then removing the sacrificial layer (28) by means of a pyrolysis process.
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