DE102021127859A1 - Anodenaktivmaterial für eine lithium-sekundärbatterie und lithium-sekundärbatterie umfassend desselben - Google Patents

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Gwi Ok Park
Joon Sup KIM
Eun Jun PARK
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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Lithium-Sekundärbatterie bereit, die ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie und eine, unter Verwendung desselben, gebildete Anode enthält. Das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithiumsekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen umfasst eine mit Kohlenstoff beschichtete und mit Lithium dotierte Oberfläche, wobei ein Verhältnis einer Peakfläche bei 102,5 eV zu einer Gesamtfläche einer Peakfläche bei 100 eV, der Peakfläche bei 102,5 eV und einer Peakfläche bei 104 eV, die in einem Si2p-Spektrum erscheinen, wenn sie durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden, 40 % oder weniger beträgt, wodurch eine stabile Herstellung einer Elektrode ermöglicht wird, ohne die physikalischen Eigenschaften der Aufschlämmung während der Herstellung der Elektrode zu verändern. Zusätzlich kann das Anodenaktivmaterial für eine Sekundärbatterie nützlich verwendet werden, um eine Lithium-Sekundärbatterie, die eine hohe Entladekapazität und Eigenschaften einer hohen Energiedichte aufweist, herzustellen.

Description

  • [HINTERGRUND DER ERFINDUNG]
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie und eine Lithium-Sekundärbatterie, die eine unter Verwendung desselben gebildeten Anode enthält.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Sekundärbatterie ist eine Batterie, die wiederholt geladen und entladen werden kann und mit der Entwicklung der Informationskommunikations- und Anzeigeindustrie weithin als Energiequelle für tragbare elektronische Kommunikationsgeräte wie Camcorder, Mobiltelefone und Notebook-PCs verwendet wird. Außerdem wurde kürzlich ein Batteriepaket mit einer Sekundärbatterie entwickelt und als Energiequelle für ein umweltfreundliches Fahrzeug wie etwa ein Hybridfahrzeug eingesetzt.
  • Beispiele der Sekundärbatterie können eine Lithium-Sekundärbatterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie und dergleichen umfassen. Darunter hat die Lithium-Sekundärbatterie eine hohe Betriebsspannung und eine hohe Energiedichte pro Gewichtseinheit und ist im Hinblick auf eine Ladegeschwindigkeit und ein geringes Gewicht vorteilhaft. In dieser Hinsicht wurde die Lithium-Sekundärbatterie aktiv entwickelt und als Energiequelle angewendet.
  • Beispielsweise kann die Lithium-Sekundärbatterie umfassen: eine Elektrodenanordnung, die eine Kathode, eine Anode und eine Trennmembran (Separator) umfasst; und einen Elektrolyten, in dem die Elektrodenanordnung imprägniert ist. Die Lithium-Sekundärbatterie kann ferner beispielsweise ein taschenförmiges äußeres Gehäuse umfassen, in dem die Elektrodenanordnung und der Elektrolyt untergebracht sind.
  • In letzter Zeit wurde mit der Erweiterung der Anwendungsgebiete für Lithium-Sekundärbatterien die Entwicklung einer Lithium-Sekundärbatterie mit einer höheren Kapazität und Ausgangsleistung vorangetrieben. Beispielsweise wurden Kathoden- oder Anodenmaterialien untersucht, die eine höhere Kapazität bereitstellen können.
  • Beispielsweise offenbart die koreanische Patentregistrierung Nr. 10-1728171 ein Verfahren zum Herstellen eines negativen Elektrodenmaterials für eine Sekundärbatterie mit nichtwässrigem Elektrolyt, das das Beschichten einer Oberfläche eines Pulvers umfasst, das aus Siliziumoxid und einem Silizium-Siliziumoxid-Verbundwerkstoff mit Kohlenstoff besteht, und dann das Dotieren der Oberfläche mit Lithium. Wenn jedoch eine Oberfläche eines Anodenaktivmaterials mit Kohlenstoff beschichtet wird, gefolgt von einer Dotierung mit Lithium, ist restliches Lithium auf der Oberfläche vorhanden, was eine Erhöhung des pH-Werts und eine Schrumpfung eines Verdickungsmittels während eines Aufschlämmungsherstellungsverfahrens verursacht, und dadurch ist es schwierig eine Elektrode aufgrund dieser Phänomene herzustellen.
  • [Dokument zum Stand der Technik]
  • [Patentdokument]
  • Koreanische Patentregistrierungsveröffentlichung Nr. 10-1728171
  • [ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG]
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen, das eine hervorragende Stabilität und Gleichmäßigkeit während der Herstellung einer Elektrode aufweist und der Lithium-Sekundärbatterie eine hervorragende chemische Stabilität und Betriebszuverlässigkeit verleihen kann.
  • Außerdem ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen, die eine Anode enthält, die unter Verwendung des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie hergestellt ist.
  • Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie bereitzustellen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithiumsekundärbatterie bereitgestellt, das eine mit Kohlenstoff beschichtete und mit Lithium dotierte Oberfläche umfasst, wobei ein Verhältnis einer Peakfläche bei 102,5 eV zu einer Gesamtfläche einer Peakfläche bei 100 eV, der Peakfläche bei 102,5 eV und einer Peakfläche bei 104 eV, die in einem Si2p-Spektrum erscheinen, wenn sie durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden, 40 % oder weniger betragen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Kohlenstoff in einer Menge von 2,0 bis 5,0 Gew.-%, basierend auf einem Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, aufgetragen werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Lithium in einer Menge von 3,5 bis 9,5 Gew.-% dotiert sein, basierend auf einem Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis eine Siliziumkristallkorngröße von 20 nm oder weniger aufweisen.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis SiOX (x = 0,8 bis 1,2) umfassen.
  • Zusätzlich wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt, die enthält: eine Kathode; eine Anode, die das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie enthält; und eine Trennmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.
  • Ferner wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie bereitgestellt, umfassend: Beschichten einer Oberfläche des Anodenaktivmaterialpulvers auf Siliziumbasis mit Kohlenstoff; Mischen des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, dessen Oberfläche mit Kohlenstoff und einer lithiumhaltigen Verbindung beschichtet ist, und Erhitzen der Mischung auf 600 bis 700°C, gefolgt von Dotieren mit Lithium; und Waschen des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, das mit Lithium dotiert ist, mit einem Lösungsmittel.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Kohlenstoff in einer Menge von 2,0 bis 5,0 Gew.-%, basierend auf einem Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, aufgetragen werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die lithiumhaltige Verbindung eine oder mehrere sein, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithium (Li)-Metall, Lithiumhydrid (LiH), Lithiumhydroxid (LiOH), Lithiumcarbonat (Li2CO3) und Lithiumnaphthalinid.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Lithium in einer Menge von 3,5 bis 9,5 Gew.-% basierend auf einem Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, dotiert sein.
  • Das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithiumsekundärbatterie gemäß beispielhaften Ausführungsformen umfasst eine mit Kohlenstoff beschichtete und mit Lithium dotierte Oberfläche, wobei ein Verhältnis einer Peakfläche bei 102,5 eV zu einer Gesamtfläche einer Peakfläche bei 100 eV, der Peakfläche bei 102,5 eV und einer Peakfläche bei 104 eV, die in einem Si2p-Spektrum erscheinen, wenn sie durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden, 40 % oder weniger beträgt, wodurch eine stabile Herstellung einer Elektrode ermöglicht wird, ohne die physikalischen Eigenschaften der Aufschlämmung während der Herstellung der Elektrode zu verändern. Zusätzlich kann das Anodenaktivmaterial für eine Sekundärbatterie nützlich verwendet werden, um eine Lithium-Sekundärbatterie herzustellen, die eine hohe Entladekapazität und Eigenschaften einer hohen Energiedichte aufweist.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:
    • 1 sind Fotografien, die eine Aufschlämmung zeigen, die ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis gemäß beispielhaften Ausführungsformen enthält; und
    • 2 sind Fotografien, die eine Elektrode gemäß beispielhaften Ausführungsformen zeigen.
  • [DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG]
  • Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithiumsekundärbatterie bereitgestellt, das eine mit Kohlenstoff beschichtete und mit Lithium dotierte Oberfläche umfasst, wobei ein Verhältnis einer Peakfläche bei 102,5 eV zu einer Gesamtfläche einer Peakfläche bei 100 eV, der Peakfläche bei 102,5 eV und einer Peakfläche bei 104 eV, die in einem Si2p-Spektrum erscheinen, wenn sie durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden, 40 % oder weniger betragen.
  • Außerdem stellen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Lithium-Sekundärbatterie bereit, umfassend: eine Kathode; eine Anode, die das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie enthält; und eine Trennmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.
  • Ferner stellen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Anodenaktivmaterials für eine Lithium-Sekundärbatterie bereit, das umfasst: Beschichten einer Oberfläche eines Pulvers aus aktivem Material auf Siliziumbasis mit Kohlenstoff; Mischen des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, dessen Oberfläche mit Kohlenstoff beschichtet ist, und einer lithiumhaltigen Verbindung, und dann Erhitzen der Mischung auf 600°bis 700°C, gefolgt von Dotieren mit Lithium; und Waschen des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, das mit Lithium dotiert ist, mit einem Lösungsmittel.
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Da jedoch die der vorliegenden Offenbarung beigefügten Zeichnungen nur zur Veranschaulichung einer von bevorzugten verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienen, um den technischen Geist der vorliegenden Erfindung mit der oben beschriebenen Erfindung leicht zu verstehen, sollte sie nicht als auf eine solche, in den Zeichnungen dargestellt Beschreibung beschränkt angesehen werden.
  • <Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für Lithium-Sekundärbatterien>
  • Das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie (im Folgenden kann es als Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis abgekürzt werden) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis enthalten, das eine mit Kohlenstoff beschichtete und mit Lithium dotierte Oberfläche aufweist.
  • Bei dem siliziumbasierten Anodenaktivmaterial für eine Lithiumsekundärbatterie gemäß einigen Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass ein Verhältnis einer Spitzenfläche bei 102,5 eV (kann im Folgenden als 102,5 eV-Spitzenflächenverhältnis abgekürzt werden) zu einer Gesamtfläche von einer Peakfläche bei 100 eV („100 eV Peakfläche“), der Peakfläche bei 102,5 eV („102,5 eV Peakfläche“) und einer Peakfläche bei 104 eV („104 eV Peakfläche“), die in einem Si2p-Spektrum erscheinen, wenn sie durch Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie (XPS) gemessen werden, einen Bereich von 40 % oder weniger erfüllt.
  • Wenn das 102,5 eV-Peakflächenverhältnis 40 % übersteigt, werden während der Herstellung einer Aufschlämmung Wasserstoffgase erzeugt, die eine Änderung der physikalischen Eigenschaften der Aufschlämmung bewirken, was im Hinblick auf die Herstellung einer einheitlichen Anode nachteilig ist und auch zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften wie Kapazitätseigenschaften, Ladungs-/Entladungs- und Lebensdauereigenschaften und dergleichen der hergestellten Anode führt.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Kohlenstoffbeschichtung durch thermische Zersetzung eines organischen Materials gebildet werden, wenn das organische Material einer Wärmebehandlung in einer nicht oxidierenden Atmosphäre unterzogen wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Kohlenstoffbeschichtung durch Durchführen einer thermischen CVD-Behandlung auf der Oberfläche des Pulvers aus aktivem Material auf Siliziumbasis mit dem organischen Material bei 800° bis 1000°C unter einer Gas- und/oder Dampfatmosphäre gebildet werden. Wenn die Temperatur bei der thermischen CVD-Behandlung weniger als 800° C beträgt, wird die Kristallisation von Kohlenstoff auf der Oberfläche des Pulvers aus Aktivmaterial auf Siliziumbasis nicht ausreichend erreicht, so dass die Kohlenstoffbeschichtung möglicherweise nicht zuverlässig auf der Oberfläche des Pulvers aus Aktivmaterial auf Siliziumbasis gebildet wird. Wenn die Temperatur 1000°C übersteigt, wird eine Siliziumkristallkorngröße des Aktivmaterials auf Siliziumbasis auf 20 nm oder mehr erhöht, und somit können die Lebensdauereigenschaften der Batterie verschlechtert werden. Die Siliziumkristallkorngröße kann aus der vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) eines Siliziumpeaks berechnet werden, der bei 20 von 28,5°, 47,5° und 56,0° gemessen wurde, nachdem das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis durch XRD (Röntgenbeugung, Cu-Anodenquelle) gemessen wurde.
  • Das organische Material kann ein einzelnes oder ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen wie Methan, Ethan, Ethylen, Acetylen, Propan, Butan, Buten, Pentan, Isobutan, Hexan, Cyclohexan usw.; monocyclische bis tricyclische aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol, Xylol, Styrol, Ethylbenzol, Diphenylmethan, Naphthalin, Phenol, Kresol, Nitrobenzol, Chlorbenzol, Inden, Cumaron, Pyridin, Anthracen, Phenanthren oder ein Gemisch davon usw., sein. Außerdem können auch Gasleichtöl, Kreosotöl, Anthracenöl und Teeröl, die durch Naphtha-Cracken hergestellt werden, die in einem Teerdestillationsverfahren erhalten werden, allein oder als Mischung verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Kohlenstoffbeschichtung in einer Menge von 2,0 bis 5,0 Gew.-% (‚Gew.-%‘) basierend auf einem Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, vorzugsweise 2,5 bis 5,0 Gew.-%, und stärker bevorzugt 3,0 bis 5,0 Gew.-% gebildet werden. Wenn die Kohlenstoffbeschichtung innerhalb des vorstehenden Bereichs gebildet wird, ist es möglich, dem Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis eine geeignete Leitfähigkeit zu verleihen.
  • Weiterhin wird das Pulver nach der Kohlenstoffbeschichtung mit Lithium dotiert. In beispielhaften Ausführungsformen kann die Lithiumdotierung durchgeführt werden, indem das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis, dessen Oberfläche mit Kohlenstoff beschichtet ist, und eine lithiumhaltige Verbindung gemischt werden, und die Mischung dann auf 600 bis 700°C erhitzt wird. Die lithiumhaltige Verbindung kann eine oder mehrere sein, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Lithium (Li)-Metall, Lithiumhydrid (LiH), Lithiumhydroxid (LiOH), Lithiumcarbonat (Li2CO3) und Lithiumnaphthalinid. Das Mischen ist nicht besonders beschränkt, kann aber unter Verwendung einer Mischvorrichtung, wie z.B. eines Taumelmischers, unter einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden. Danach kann durch Durchführen einer Dotierung bei einer Temperatur von 600 bis 700°C eine Lithiumdotierung ausreichend durchgeführt werden, und indem verhindert wird, dass der Siliziumkristall stärker als notwendig erhöht wird, eine Verschlechterung der Kapazitätseigenschaften oder eine Verringerung der Zykluslebensdauer der Anode verhindert werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Lithiumdotierung in einer Menge von 3,5 bis 9,5 Gew.-% basierend auf dem Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, vorzugsweise 3,7 bis 8,0 Gew.-% und stärker bevorzugt 4,0 bis 7,0 Gew.-% durchgeführt werden. Wenn die Dotierungsmenge weniger als 9,5 Gew.-% beträgt, wird die Energiedichte des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis verringert, wodurch eine Verschlechterung der Betriebseffizienz der Lithium-Sekundärbatterie verursacht wird. Wenn die Dotierungsmenge 9,5 Gew.-% übersteigt, können Gase in einer übermäßigen Menge erzeugt werden, wodurch eine Verschlechterung der Qualität der Elektrode während der Herstellung einer Aufschlämmung verursacht wird.
  • Insbesondere kann, wenn das 102,5-eV-Spitzenflächenverhältnis den Bereich von 40 % oder weniger erfüllt, ein Anodenaktivmaterial mit einer Kohlenstoffbeschichtungsmenge von 3,0 bis 5,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials, und einer Lithiumdotierungsmenge von 3,5 bis 9,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, kann der Lithium-Sekundärbatterie eine hervorragende chemische Stabilität und Betriebszuverlässigkeit verleihen sowie die Herstellung einer Elektrode mit hervorragender Gleichmäßigkeit ermöglichen, da während der Zubereitung der Aufschlämmung kein Gas erzeugt wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis eine Siliziumkristallkorngröße von 20 nm oder weniger aufweisen. Wenn die Siliziumkristallkorngröße 20 nm oder weniger beträgt, kann die Ausdehnung des Aktivmaterials unterdrückt werden, wenn Lithium während des Ladens mit Silizium reagiert, um so die Lebensdauereigenschaften der Batterie zu verbessern.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis SiOx (x = 0,8 bis 1,2) enthalten. Wenn X 0,8 bis 1,2 ist, wird ein Verhältnis von Silizium (Si), das mit Lithium reagiert, und Siliziumdioxid (SiO2), das als Puffer für die Volumenausdehnung dient, 1:0,67 bis 1,5, so dass die Volumenausdehnung unterdrückt werden kann, während verhindert wird, dass die Kapazität des Anodenaktivmaterials abnimmt.
  • In einigen Ausführungsformen kann nach dem Dotieren mit Lithium das hergestellte Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis mit einem Waschlösungsmittel gewaschen werden. Das Waschlösungsmittel kann eines oder mehrere sein, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, einem organischen Lösungsmittel und Säure. Obwohl es nicht besonders darauf beschränkt ist, kann das organische Lösungsmittel beispielsweise Ethanol, Methanol, Aceton, Hexan oder dergleichen sein, und die Säure kann Essigsäure, Citronensäure, Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure oder dergleichen sein.
  • Lithium-Sekundärbatterie
  • Die Lithium-Sekundärbatterie kann eine Elektrodenanordnung umfassen, die Folgendes umfasst: eine Kathode, eine Anode, die das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis umfasst; und eine Trennmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist. Die Elektrodenanordnung kann zusammen mit einem Elektrolyten in einem Gehäuse untergebracht und imprägniert sein.
  • Die Kathode kann eine Kathodenaktivmaterialschicht enthalten, die durch Aufbringen eines Kathodenaktivmaterials auf einen Kathodenstromkollektor gebildet wird. Das Kathodenaktivmaterial kann eine Verbindung umfassen, die in der Lage ist, Lithiumionen reversibel zu interkalieren und zu deinterkalieren.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann das Kathodenaktivmaterial ein Lithium-Übergangsmetalloxid umfassen. Beispielsweise enthält das Lithium-Übergangsmetalloxid Nickel (Ni) und kann ferner mindestens eines von Kobalt (Co) und Mangan (Mn) enthalten.
  • Beispielsweise kann das Lithium-Übergangsmetalloxid durch die nachstehende Formel 1 dargestellt werden. Li1+aNi1-(x+y)CoxMyO2 [Formel 1]
  • In der Formel 1 können a, x und y in einem Bereich von 0,05≤a≤0,15, 0,01≤x≤0,3 und 0,01≤y≤0,3 liegen, und M kann mindestens ein Element sein, ausgewählt aus einem Mn, Mg, Sr, Ba, B, Al, Si, Ti, Zr und W.
  • Eine Aufschlämmung kann durch Mischen des Kathodenaktivmaterials mit einem Bindemittel, einem leitfähigen Material und/oder einem Dispergiermittel in einem Lösungsmittel, gefolgt von Rühren desselben, hergestellt werden.
  • Die Aufschlämmung kann auf den Kathodenstromkollektor aufgetragen werden, gefolgt von einem Komprimieren und Trocknen, um die Kathode herzustellen.
  • Der Kathodenstromkollektor kann beispielsweise rostfreien Stahl, Nickel, Aluminium, Titan, Kupfer oder eine Legierung davon enthalten und enthält vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
  • Das Bindemittel kann beispielsweise aus einem organischen Bindemittel wie Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen-Copolymer (PVDF-co-HFP), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat usw. oder einem wässrigen Bindemittel wie Styrol-Butadienkautschuk (SBR) ausgewählt werden und kann zusammen mit einem Verdickungsmittel wie Carboxymethylcellulose (CMC) verwendet werden.
  • Beispielsweise kann ein Bindemittel auf PVDF-Basis als Bindemittel für eine Kathode verwendet werden. In diesem Fall kann eine Menge des Bindemittels zum Bilden der Kathodenaktivmaterialschicht verringert werden und eine Menge des Kathodenaktivmaterials kann relativ erhöht werden, wodurch die Ausgabe und die Kapazität der Sekundärbatterie verbessert werden.
  • Das leitfähige Material kann enthalten sein, um die Elektronenübertragung zwischen den Aktivmaterialpartikeln zu erleichtern. Beispielsweise kann das leitfähige Material ein kohlenstoffbasiertes leitfähiges Material wie etwa Graphit, Ruß, Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren und/oder ein metallbasiertes leitfähiges Material wie etwa Zinn, Zinnoxid, Titanoxid oder ein Perowskit-Material wie z.B. LaSrCoO3 und LaSrMnO3, enthalten.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Anode einen Anodenstromkollektor und eine Anodenaktivmaterialschicht enthalten, die durch Beschichten des Anodenstromkollektors mit einer Zusammensetzung für eine Anode, die das oben beschriebene Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis enthält, gebildet wird.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann die Zusammensetzung für die Anode in Form einer Aufschlämmung durch Mischen und Rühren des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis und der Bindemittelmischung zusammen mit einem leitfähigen Material, einem Verdickungsmittel usw., in einem Lösungsmittel hergestellt werden. Die Aufschlämmung kann auf mindestens eine Oberfläche des Anodenstromkollektors aufgetragen werden, gefolgt von einem Komprimieren und Trocknen, um die Anode herzustellen.
  • Vorzugsweise hat die Aufschlämmung eine Viskosität von 3.000 Centipoise (cPs) oder mehr. Wenn die Viskosität der Aufschlämmung weniger als 3.000 cPs beträgt, wird die Gleichmäßigkeit in der Aufschlämmung aufgrund der Ausfällung des Aktivmaterials verringert und die Beschichtung wird nicht gleichmäßig durchgeführt.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis der vorliegenden Erfindung mit einem Anodenaktivmaterial auf Kohlenstoffbasis wie künstlichem Graphit und natürlichem Graphit gemischt werden, um eine Anode zu bilden. Der künstliche Graphit hat im Vergleich zum natürlichen Graphit relativ überlegene Lebensdauereigenschaften, und dadurch ist es möglich, eine Verringerung der Elektrodenlebensdauer aufgrund der Verwendung des mit Kohlenstoff beschichteten Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis zu kompensieren.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann die Bindemittelmischung beispielsweise ein Acrylpolymer-Bindemittel und ein SBR-Bindemittel umfassen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann das leitfähige Material beispielsweise ein kohlenstoffbasiertes leitfähiges Material wie Ruß, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren usw. und/oder ein metallbasiertes leitfähiges Material wie Zinn, Zinnoxid, Titanoxid sein oder ein Perowskit-Material wie LaSrCoO3 und LaSrMnO3 sein.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann das Verdickungsmittel beispielsweise Carboxymethylcellulose (CMC) umfassen.
  • In beispielhaften Ausführungsformen kann ein Gehalt des Anodenaktivmaterials etwa 90 bis 98 Gew.-% betragen, ein Gehalt der Bindemittelmischung kann etwa 1 bis 5 Gew.-% betragen, ein Gehalt des leitfähigen Materials kann etwa 0,5 bis 5 Gew.-% betragen, und der Gehalt des Verdickungsmittels kann etwa 0,5 bis 5 Gew.% betragen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aufschlämmung.
  • Zwischen der Kathode und der Anode kann eine Trennmembran angeordnet sein. Die Trennmembran kann einen porösen Polymerfilm enthalten, der aus einem Polyolefinpolymer, wie Ethylenhomopolymer, Propylenhomopolymer, Ethylen/Buten-Copolymer, Ethylen/Hexen-Copolymer, Ethylen/Methacrylat-Copolymer, hergestellt ist. Die Trennmembran kann einen Vliesstoff umfassen, der aus Glasfasern mit einem hohen Schmelzpunkt, Polyethylenterephthalatfasern oder dergleichen hergestellt ist.
  • In beispielhaften Ausführungsformen wird eine Elektrodenzelle durch die Kathode, die Anode und die Trennmembran definiert, und mehrere Elektrodenzellen werden gestapelt, um beispielsweise eine Elektrodenanordnung vom Jelly-Roll-Typ zu bilden. Beispielsweise kann die Elektrodenanordnung durch Wickeln, Laminieren, Falten oder dergleichen der Trennmembran gebildet werden.
  • Eine Elektrodenanordnung kann zusammen mit einem Elektrolyten in einem äußeren Gehäuse untergebracht sein, um die Lithium-Sekundärbatterie zu definieren. Gemäß Ausführungsbeispielen kann als Elektrolyt ein nichtwässriger Elektrolyt verwendet werden.
  • Der nichtwässrige Elektrolyt umfasst ein Lithiumsalz eines Elektrolyten und ein organisches Lösungsmittel, und das Lithiumsalz wird beispielsweise durch Li+X- und als Anion (X-) des Lithiumsalzes, F-, Cl-, Br, I-, NO3 -, N(CN)2 -, BF4 -, ClO4 -, PF6 -, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, CF3SO3 -, CF3CF2SO3 -, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (CF3SO2)3C-, CF3(CF2)7SO3 -, CF3CO2 -, CH3CO2 -, SCN- and (CF3CF2SO2)2N- , usw., beispielhaft genannt, dargestellt.
  • Als organisches Lösungsmittel beispielsweise Propylencarbonat (PC), Ethylencarbonat (EC), Diethylcarbonat (DEC), Dimethylcarbonat (DMC), Ethylmethylcarbonat (EMC), Methylpropylcarbonat, Dipropylcarbonat, Dimethylsulfoxid, Acetonitril, Dimethoxyethan, Diethoxyethan, Vinylencarbonat, Sulforan, γ-Butyrolacton, Propylensulfit, Tetrahydrofuran und dergleichen verwendet werden. Diese Verbindungen können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren davon verwendet werden.
  • Elektrodenstreifen (ein Kathodenstreifen und ein Anodenstreifen) können von dem Kathodenstromkollektor bzw. dem Anodenstromkollektor vorstehen, die zu jeder Elektrodenzelle gehören, und können sich zu einer Seite des Außengehäuses erstrecken. Die Elektrodenstreifen können mit der einen Seite des äußeren Gehäuses verschmolzen werden, um Elektrodenleitungen (eine Kathodenleitung und eine Anodenleitung), die sich zu einer Außenseite des Gehäuses erstrecken oder freigelegt sind, zu bilden.
  • Die Lithium-Sekundärbatterie kann beispielsweise in einer zylindrischen Form unter Verwendung einer Dose, einer quadratischen Form, eines Taschentyps oder einer Münzform hergestellt werden.
  • Nachfolgend werden spezielle experimentelle Beispiele vorgeschlagen, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern. Die folgenden Beispiele werden jedoch nur zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung gegeben, und der Fachmann wird offensichtlich verstehen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Umfangs und Wesens der vorliegenden Erfindung möglich sind. Solche Änderungen und Modifikationen sind ordnungsgemäß in den beigefügten Ansprüchen enthalten.
  • Präparatives Beispiel 1: Herstellung eines Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis
  • Ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis, hergestellt durch Variieren der Kohlenstoffbeschichtungsmenge, der Lithiumdotierungsmenge und der Wärmebehandlungstemperatur.
  • Eine Oberfläche eines Pulvers aus aktivem Anodenmaterial auf Siliziumbasis (SiO, Sigma-Aldrich Co.) wurde durch thermische CVD-Behandlung bei 900°C unter Verwendung von Ethylen mit Kohlenstoff beschichtet.
  • Danach wurden das mit Kohlenstoff und Lithiumhydroxid (LiOH) beschichtete Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis gemischt und erhitzt, gefolgt von Dotieren mit Lithium. Das mit Lithium dotierte Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis wurde unter Verwendung von Wasser 10 Minuten lang gewaschen, um ein Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie herzustellen.
  • Die Kohlenstoffbeschichtungsmenge des hergestellten Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis wurde unter Verwendung eines CS-Analysators (CS844) von LECO Co. gemessen, und die Menge an dotiertem Lithium wurde durch ein Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES, Optima 8300) von Perkin-Elmer Co. gemessen.
  • Die Herstellungsbedingungen des hergestellten Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis sind in der nachstehenden Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]
    Kohlenstoffbeschichtungsmenge LithiumDotierungsmenge Erwärmungstemperatur bei Lithiumdotierung
    (Gew. %) (Gew.%) (°C)
    Beispiel 1 3.0 7.0 700
    Beispiel 2 5.0 4.0 700
    Beispiel 3 5.0 4.5 700
    Vergleichsbeispiel 1 3.0 0 -
    Vergleichsbeispiel 2 2.5 4.5 600
    Vergleichsbeispiel 3 2.5 7.5 600
    Vergleichsbeispiel 4 2.5 9.5 600
    Vergleichsbeispiel 5 3.0 9.0 700
    Vergleichsbeispiel 6 5.0 3.5 600
    Vergleichsbeispiel 7 5.0 5.5 700
  • Präparatives Beispiel 2: Herstellung einer Aufschlämmung
  • Eine Aufschlämmung zur Herstellung einer Anode wurde unter Verwendung des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis hergestellt, das gemäß Herstellungsbeispiel 1 hergestellt wurde.
  • Eine Anodenaufschlämmung wurde hergestellt, indem Graphit, das gemäß Herstellungsbeispiel 1 hergestellte Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis, Kohlenstoffnanoröhren (CNT) als leitfähiges Mittel, Carboxymethylcellulose (CMC) als Bindemittelmischung und ein SBR-Bindemittel in einem Verhältnis von 83,4 : 13,0 : 0,1 : 1,5 : 2,0 Gewichtsteilen gemischt wurden.
  • Versuchsbeispiel 1
  • Röntgenphotoelektronenspektroskopie- (XPS) (ESCALAB 250Xi von Thermo Scientific Co.) Analyse wurde an dem Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis durchgeführt, das gemäß Herstellungsbeispiel 1 hergestellt wurde. Die XPS-Analyse wurde unter Verwendung eines Alk-alpha-Strahls bei einer Spannung von 1486,68 eV mit einer Strahlgröße von 650 µm durchgeführt. Die Analyse wurde unter Verwendung eines CAE-Modus durchgeführt. Die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 2 unten gezeigt. [Tabelle 2]
    Vorhandensein oder Fehlen einer Gaserzeugung XPS-Si2p-Scanbereich 102.5 eV Spitzenflächeverhältnis (%)
    (a) 100 eV Spitzenfläche (b) 102.5 eV Spitzenfläche (c) 104 eV Spitzenfläche
    Beispiel 1 × 59 252 352 38%
    Beispiel 2 × 126 307 437 35%
    Beispiel 3 × 67 386 614 36%
    Vergleichsbeispiel 1 × 320 113 672 10%
    Vergleichsbeispiel 2 ○ 191 769 822 43%
    Vergleichsbeispiel 3 ○ 38 539 327 60%
    Vergleichsbeispiel 4 ○ 125 457 53 72%
    Vergleichsbeispiel 5 ○ 15 148 68 64%
    Vergleichsbeispiel 6 ○ 46 255 28 78%
    Vergleichsbeispiel 7 ○ 31 546 41 88%
  • Ein Verfahren zum Berechnen eines XPS-Si2p-Scanbereichs ist wie folgt. Nach dem Messen des XPS des Aktivmaterials wurde das Si2p-Spektrum entfaltet, um Bereiche der Peaks zu berechnen, die sich bei 100 eV, 102,5 eV bzw. 104 eV befinden. Danach wurde ein 102,5 eV-Peakflächenverhältnis wie in Gleichung 1 unten berechnet.
    [Gleichung 1]   102,5  eV Spitzenfl a ¨ chenverh a ¨ ltnis = ( ( b )   102,5  eV Spitzenfl a ¨ che / ( ( a )  100 eV Spitzenfl a ¨ che + ( b )   102,5  eV Spitzenfl a ¨ che + ( c )   104  eV Spitzenfl a ¨ che ) ) × 100
    Figure DE102021127859A1_0001
  • Versuchsbeispiel 2
  • Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Gaserzeugung, pH und Viskosität der gemäß Herstellungsbeispiel 2 hergestellten Aufschlämmung wurden bestätigt. Hierin wurde die Viskosität der hergestellten Aufschlämmung unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters (Spindeltyp: CZ-52, Drehmoment 60-67 %, 25,0°C) gemessen. Der pH-Wert wurde bei Raumtemperatur unter Verwendung eines pH-Meters gemessen, indem 1 g der Aufschlämmung in 99 g Wasser gegeben und dann 3 Minuten lang gerührt wurde. Die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 3 unten gezeigt. [Tabelle 3]
    Vorhandensein oder Fehlen einer Gaserzeugung pH Viskosität (cPs)
    Beispiel 1 × 10.8 5283
    Beispiel 2 × 8.5 5653
    Beispiel 3 × 10.5 5100
    Vergleichsbeispiel 1 × 7.0 5530
    Vergleichsbeispiel 2 ○ 11.6 2175
    Vergleichsbeispiel 3 ○ 11.9 1333
    Vergleichsbeispiel 4 ○ 12.3 2027
    Vergleichsbeispiel 5 ○ 12.6 1250
    Vergleichsbeispiel 6 ○ 10.8 2347
    Vergleichsbeispiel 7 ○ 11.7 1825
  • Aus den obigen Ergebnissen ist ersichtlich, dass im Fall der Aufschlämmungen unter Verwendung der Anodenaktivmaterialien auf Siliziumbasis (Beispiele 1 bis 3), deren 1025 eV-Peakflächenverhältnis 40 % oder weniger in Versuchsbeispiel 1 beträgt, während der Herstellung kein Gas erzeugt, wird.
  • Wie in der Tabelle 3 oben gezeigt, beträgt der gemessene pH-Wert beider Aufschlämmungen beim Vergleich der Aufschlämmungen, die unter Verwendung der Anodenaktivmaterialien auf Siliziumbasis von Beispiel 1 bzw. Vergleichsbeispiel 6 hergestellt wurden, gleichermaßen 10,8. Es ist jedoch ersichtlich, dass in der Aufschlämmung unter Verwendung des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis von Beispiel 1 kein Gas erzeugt wird, aber Gas in der Aufschlämmung unter Verwendung des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis von Vergleichsbeispiel 6 erzeugt wird.
  • 1 ist eine Photographie, die einen Vergleich der Zustände der Aufschlämmungen von Beispiel 3 (1 (a)) und Vergleichsbeispiel 7 (1 (b)) zeigt. Wie in 1 gezeigt, kann bestätigt werden, dass nur in Vergleichsbeispiel 7 Blasen aufgrund der Gaserzeugung auf der Oberfläche der Aufschlämmung erzeugt wurden.
  • Außerdem haben die Aufschlämmungen der Beispiele 1 bis 3 eine Viskosität von 5.000 cPs oder mehr, ähnlich der Aufschlämmung des Vergleichsbeispiels 1 unter Verwendung eines Anodenaktivmaterials, das nicht mit Lithium dotiert ist, während die Aufschlämmungen der anderen Vergleichsbeispiele eine niedrige Viskosität von 3.000 cPs oder weniger haben. Im Falle einer Aufschlämmung mit einer Viskosität von 3.000 cPs oder weniger kann die Gleichmäßigkeit in der Aufschlämmung aufgrund der Ausfällung des Aktivmaterials verringert sein, und somit kann die Beschichtung nicht gleichmäßig gebildet werden.
  • Versuchsbeispiel 3
  • Unter Verwendung der gemäß Herstellungsbeispiel 2 hergestellten Aufschlämmung wurde eine Anode hergestellt. Wenn während der Herstellung einer Aufschlämmung Gas erzeugt wird, wird die Beschichtung auf dem Stromkollektor nicht gut ausgeführt.
  • 2 sind Fotografien, die eine beschichtete Elektrode zeigen, bei der ein Kupferstromkollektor mit den Aufschlämmungen beschichtet ist, die unter Verwendung der Anodenaktivmaterialien auf Siliziumbasis von Beispiel 3 (2 (a)) sowie Vergleichsbeispiel 7 (2 (b)) hergestellt wurden. Wie in 2 gezeigt, war im Fall der mit der Aufschlämmung von Vergleichsbeispiel 7 beschichteten Elektrode die Elektrodenoberfläche aufgrund von Luftblasen und niedriger Viskosität nicht gleichmäßig ausgebildet. Andererseits ist ersichtlich, dass die mit der Aufschlämmung von Beispiel 3 (2 (a)) beschichtete Elektrodenoberfläche gleichmäßig beschichtet war.
  • Versuchsbeispiel 4
  • Eine Lithium-(Li)-Knopfhalbzelle wurde hergestellt und elektrochemische Eigenschaften wie Ladekapazität, Entladekapazität und Anfangseffizienz wurden gemessen.
  • Eine Lithium-Knopf-Halbzelle wurde gebildet, indem eine Trennmembran (Polyethylen, Dicke 20 µm) zwischen die Beschichtungselektrode (Anode), hergestellt unter Verwendung der Aufschlämmung von Herstellungsbeispiel 2, und Lithiummetall (Dicke 2 mm) eingefügt wurde. Eine Kombination aus Lithiummetall/Trennmembran/Anode wurde in eine Knopfzellenplatte eingebracht, ein Elektrolyt wurde eingespritzt und dann wurde eine Kappe abgedeckt und festgeklemmt. Der hier verwendete Elektrolyt wurde durch Auflösen einer 1M LiPF6-Lösung in einem gemischten Lösungsmittel aus EC/FEC/EMC/DEC (20/10/20/50; Volumenverhältnis) hergestellt.
  • Nach Imprägnieren der hergestellten Lithium-Knopf-Halbzelle für 12 Stunden oder mehr wird die Zelle in einer Kammer bei 25°C Laden (CC-CV 0,1C 0,01V 0,01C CUT-OFF) geladen, dann wurden die Batteriekapazitäten (Ladekapazitäten) gemessen, und nach erneutem Entladen (CC 0,1C 1,5V CUT-OFF) wurden die Batteriekapazitäten (Entladekapazitäten) gemessen. Die anfängliche Kapazitätseffizienz jeder Lithium-Sekundärbatterie wurde berechnet, indem die gemessene anfängliche Entladekapazität durch die gemessene anfängliche Ladekapazität dividiert und dann mit 100 multipliziert wurde.
  • Die unter Verwendung der Aufschlämmung von Vergleichsbeispiel 7 hergestellte Beschichtungselektrode hatte eine ungleichmäßige Beschichtungsoberfläche, daher wurde ein möglichst gleichmäßiger Abschnitt ausgewählt und auf die gleiche Weise vorgegangen. Die Ergebnisse davon sind in der Tabelle 4 unten gezeigt. [Tabelle 4]
    Ladekapazität [mAh/g] Entladekapazität [mAh/g] Anfangswirkungsgr ad [%]
    Beispiel 3 509 464 91.2%
    Vergleichsbeispi el 1 533 469 88.0%
    Vergleichsbeispi el7 479 436 91.0%
  • Es wurde festgestellt, dass im Falle von Beispiel 3 im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 1 die Ladekapazität und die Entladekapazität etwas verringert waren, aber die Anfangseffizienz in Abhängigkeit vom Zweck der Lithiumdotierung erhöht war. Insbesondere kann bestätigt werden, dass eine gleichmäßig beschichtete Elektrode hergestellt werden kann, ohne während der Herstellung einer Aufschlämmung Gas zu erzeugen. Da im Fall des Vergleichsbeispiels 7 eine Lithiumdotierung durchgeführt wurde, war die Anfangseffizienz ähnlich wie in Beispiel 3 erhöht, aber sowohl die Ladekapazität als auch die Entladekapazität waren signifikant verringert. Insbesondere wird, im Falle des Vergleichsbeispiels 7, Gas während der Herstellung der Aufschlämmung erzeugt und kann nicht gleichmäßig über eine große Fläche auf den Stromkollektor aufgetragen werden, so dass es nicht zum Herstellen einer Beschichtungselektrode mit einer großen Fläche geeignet ist.

Claims (10)

  1. Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie, umfassend eine mit Kohlenstoff beschichtete und mit Lithium dotierte Oberfläche, wobei ein Verhältnis einer Peakfläche bei 102,5 eV zu einer Gesamtfläche einer Peakfläche bei 100 eV, der Peakfläche bei 102,5 eV und einer Peakfläche bei 104 eV, die in einem Si2p-Spektrum bei der Messung durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) erscheinen, 40 % oder weniger beträgt.
  2. Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei der Kohlenstoff in einer Menge von 2,0 bis 5,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, aufgetragen ist.
  3. Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Lithium in einer Menge von 3,5 bis 9,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, dotiert ist.
  4. Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithiumsekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis eine Siliziumkristallkorngröße von 20 nm oder weniger aufweist.
  5. Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 1, wobei das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis SiOX (x = 0,8 bis 1,2) umfasst.
  6. Lithium-Sekundärbatterie, umfassend: eine Kathode; eine Anode, die das Anodenaktivmaterial auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 1 umfasst; und eine Trennmembran, die zwischen der Kathode und der Anode angeordnet ist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie, umfassend: Beschichten einer Oberfläche des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis mit Kohlenstoff; Mischen des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, dessen Oberfläche mit Kohlenstoff und einer lithiumhaltigen Verbindung beschichtet ist, und Erhitzen der Mischung auf 600 bis 700°C, gefolgt von Dotieren mit Lithium; und Waschen des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, das mit Lithium dotiert ist, mit einem Lösungsmittel.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 7, wobei der Kohlenstoff in einer Menge von 2,0 bis 5,0 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis, beschichtet ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 7, wobei die lithiumhaltige Verbindung eine oder mehrere ist, die aus der Gruppe, bestehend aus Lithium(Li)-Metall, Lithiumhydrid (LiH), Lithiumhydroxid (LiOH), Lithiumcarbonat (Li2CO3) und Lithiumnaphthalenid ausgewählt ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis für eine Lithium-Sekundärbatterie nach Anspruch 7, wobei das Lithium in einer Menge von 3,5 bis 9,5 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Anodenaktivmaterials auf Siliziumbasis Material, dotiert wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5411781B2 (ja) 2010-04-05 2014-02-12 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極材及び非水電解質二次電池用負極材の製造方法並びにリチウムイオン二次電池
JP5977831B2 (ja) * 2011-10-24 2016-08-24 エルジー・ケム・リミテッド 負極活物質の製造方法、その負極活物質、及びそれを備えるリチウム二次電池
DE102014202156A1 (de) * 2014-02-06 2015-08-06 Wacker Chemie Ag Si/G/C-Komposite für Lithium-Ionen-Batterien
KR101673719B1 (ko) * 2014-03-28 2016-11-07 주식회사 엘지화학 리튬 이차전지용 음극활물질 및 그 제조방법
KR101724196B1 (ko) * 2014-05-09 2017-04-06 주식회사 엘지화학 그래핀 피복된 다공성 실리콘-탄소 복합체 및 이의 제조방법
JP6268049B2 (ja) * 2014-06-23 2018-01-24 信越化学工業株式会社 非水電解質二次電池用負極材及び非水電解質二次電池並びに負極活物質粒子の製造方法
KR102245121B1 (ko) * 2017-03-10 2021-04-28 주식회사 엘지화학 음극 활물질의 제조 방법

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