DE102022120708A1

DE102022120708A1 - Negative elektroaktive materialien und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE102022120708A1
Application number: DE102022120708.0A
Authority: DE
Inventors: Xingcheng Xiao; Mark VERBRUGGE; Mok Yun Jin; Brian W. Sheldon
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2023-03-30
Also published as: US20230102190A1; CN115872410A

Abstract

Es werden Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereitgestellt. Die Verfahren umfassen das Erhitzen eines Siliciumoxidteilchens (SiOx, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf eine Temperatur zwischen etwa 600 °C und etwa 1200 °C über einen Zeitraum zwischen etwa 30 Minuten und etwa 10 Stunden, um das elektroaktive Material auf Siliciumbasis zu bilden, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis eine Siliciumoxidmatrix und eine Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumkristalliten enthält. In bestimmten Fällen kann das Erhitzen in einer inerten Atmosphäre erfolgen, so dass die Siliciumkristallite in der gesamten Siliciumoxidmatrix verteilt werden. In anderen Fällen kann die Erhitzung in einer reduzierenden Umgebung erfolgen, so dass die Siliciumkristallite in einem oder mehreren Bereichen der Siliciumoxidmatrix angehäuft werden. In jedem Fall kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis durch Erhitzen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis in einer Kohlenwasserstoffe enthaltenden Umgebung mit Kohlenstoff beschichtet werden.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Fortschrittliche Energiespeicher und -systeme sind gefragt, um den Energie- und/oder Leistungsbedarf für eine Vielzahl von Produkten zu decken, einschließlich Automobilprodukten wie Start-Stopp-Systeme (z.B. 12-V-Start-Stopp-Systeme), batteriegestützte Systeme, Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEVs“) und Elektrofahrzeuge („EVs“). Typische Lithiumionen-Batterien enthalten mindestens zwei Elektroden und einen Elektrolyten und/oder Separator. Eine der beiden Elektroden kann als positive Elektrode oder Kathode dienen, und die andere Elektrode kann als negative Elektrode oder Anode dienen. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode kann ein Separator und/oder Elektrolyt angeordnet sein. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen zwischen den Elektroden geeignet und kann, wie die beiden Elektroden, in fester und/oder flüssiger Form und/oder als Hybrid davon vorliegen. In Fällen von Festkörperbatterien, die Festkörperelektroden und einen Festkörperelektrolyten enthalten, kann der Festkörperelektrolyt die Elektroden physisch trennen, so dass ein gesonderter Separator nicht erforderlich ist.
Herkömmliche wiederaufladbare Lithiumionen-Batterien funktionieren, indem Lithiumionen reversibel zwischen der negativen Elektrode und der positiven Elektrode hin- und her geleitet werden. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Solche Lithiumionen-Batterien können bei Bedarf eine zugehörige Lastvorrichtung reversibel mit Strom versorgen. Genauer gesagt kann eine Lastvorrichtung von der Lithiumionen-Batterie mit elektrischer Energie versorgt werden, bis der Lithiumgehalt der negativen Elektrode effektiv erschöpft ist. Die Batterie kann dann wieder aufgeladen werden, indem ein geeigneter elektrischer Gleichstrom in entgegengesetzter Richtung zwischen den Elektroden durchgeleitet wird.
Während der Entladung kann die negative Elektrode eine vergleichsweise hohe Konzentration an eingelagertem Lithium enthalten, das zu Lithiumionen oxidiert wird, die Elektronen freisetzen. Lithiumionen können von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode wandern, z.B. durch die ionisch leitende Elektrolytlösung, die in den Poren eines dazwischen befindlichen porösen Separators enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode aufgenommen werden. Die Batterie kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umgekehrt werden.
In verschiedenen Fällen verbleibt jedoch ein Teil des eingelagerten Lithiums nach dem ersten Zyklus bei der negativen Elektrode, z.B. aufgrund von Umwandlungsreaktionen und/oder der Bildung einer Festelektrolyt-Phasengrenzflächen („SEI“)-Schicht auf der negativen Elektrode während des ersten Zyklus sowie eines fortlaufenden Lithiumverlusts, z.B. aufgrund eines Bruchs der durchgehenden Festelektrolyt-Phasengrenzfläche. Ein solcher permanenter Verlust von Lithiumionen kann zu einer verringerten spezifischen Energie und Leistung in der Batterie führen, z.B. durch zusätzliche positive Elektrodenmasse, die nicht am reversiblen Betrieb der Batterie beteiligt ist. Beispielsweise kann die Lithiumionen-Batterie nach dem ersten Zyklus einen irreversiblen Kapazitätsverlust von mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 30 % aufweisen, und im Falle von siliciumhaltigen negativen Elektroden (z.B. SiO_x) oder anderen volumenvergrößernden negativen elektroaktiven Materialien (z.B. Zinn (Sn), Aluminium (Al), Germanium (Ge)) einen irreversiblen Kapazitätsverlust von mehr als oder gleich etwa 20 % bis weniger als oder gleich etwa 40 % nach dem ersten Zyklus.
Zu den derzeitigen Verfahren zum Kompensieren des Lithiumverlustes im ersten Zyklus gehören beispielsweise elektrochemische Prozesse, bei denen eine siliciumhaltige Anode in einem Elektrolytbad lithiiert wird, gepaart mit einer Lithiumquelle wie Lithiummetall oder lithiumhaltigen Übergangsmetalloxiden. Solche Prozesse sind jedoch anfällig für Luft und Feuchtigkeit und damit für Instabilität. Ein weiteres Kompensationsverfahren ist z.B. die zelleninterne Lithiierung, bei der einer Zelle Lithium zugefügt wird. Solche Prozesse erfordern jedoch oft den Einsatz von Gitter-Stromkollektoren, die hohe Materialkosten sowie Beschichtungskosten verursachen. Ein weiteres Kompensationsverfahren umfasst z.B. die Abscheidung (z.B. Sprühen oder Extrudieren oder physikalische Gasphasenabscheidung („PVD“)) von Lithium auf einer Anode oder einem Anodenmaterial. In solchen Fällen ist es jedoch schwierig (und kostspielig), gleichmäßig abgeschiedene Lithiumschichten herzustellen. Dementsprechend wäre es wünschenswert, verbesserte Elektroden und elektroaktive Materialien sowie Verfahren zu deren Verwendung zu entwickeln, die diese Herausforderungen bewältigen können.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf elektroaktive Materialien zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, die Lithiummaterial z.B. in der negativen Elektrode als negatives elektroaktives Material zyklisch bewegt, sowie auf Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung. Zu den elektroaktiven Materialien gehören beispielsweise Siliciumkristallite in Nanogröße, die in eine Matrix aus Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) eingebettet sind, wobei die Siliciumoxidmatrix das eingebettete Silicium vor dem Elektrolyten schützt, um die Bildung instabiler Schichten aus Festkörperelektrolyten („SEI“) zu vermeiden.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit. Das Verfahren kann das Erhitzen eines Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf eine Temperatur von größer oder gleich etwa 600 °C bis kleiner oder gleich etwa 1200 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich etwa 30 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 10 Stunden umfassen, um das elektroaktive Material auf Siliciumbasis zu bilden, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis eine Siliciumoxidmatrix und eine Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumkristalliten umfasst.
In einem Aspekt kann das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer inerten Atmosphäre erfolgen, und die Siliciumkristallite können in der gesamten Siliciumoxidmatrix verteilt werden.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 75 % aufweisen.
In einem Aspekt kann das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer reduzierenden Umgebung erfolgen, und die Siliciumkristallite können in einem oder mehreren Bereichen der Siliciumoxidmatrix angehäuft werden.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % aufweisen.
In einem Aspekt kann das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf die Temperatur mit einer Rate von mehr als oder gleich etwa 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich etwa 20 °C pro Minute durchgeführt und bei der Temperatur für mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden gehalten werden.
In einem Aspekt kann die Temperatur eine erste Temperatur und der Zeitraum ein erster Zeitraum sein. Das Verfahren kann ferner das Erhitzen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis auf eine zweite Temperatur von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C über einen zweiten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden in einer Umgebung umfassen, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, um eine oder mehrere im Wesentlichen kontinuierliche Kohlenstoffbeschichtungen auf freiliegenden Oberflächen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zu bilden.
In einem Aspekt kann das Verfahren ferner die Herstellung des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) vor dem Erhitzen umfassen. Die Herstellung des Siliciumoxidteilchens (SiOx, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) kann das Kugelmahlen eines Vorläufers von Siliciumoxid (SiOx, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen, so dass das Siliciumoxidteilchen (SiOx, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweist.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 500 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben, und die Siliciumkristallite können eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 nm haben.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit. Das Verfahren kann das Erhitzen eines Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer Rate von mehr als oder gleich etwa 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich etwa 20 °C pro Minute auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und das Halten der ersten Temperatur für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden umfassen. Das elektroaktive Material auf Siliciumbasis kann eine Siliciumoxidmatrix und eine Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumkristalliten enthalten, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich etwa 500 nm bis kleiner oder gleich etwa 10 µm aufweist und die Siliciumkristallite eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich etwa 5 nm bis kleiner oder gleich etwa 100 nm haben.
In einem Aspekt kann das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer inerten Atmosphäre erfolgen, und die Siliciumkristallite können in der gesamten Siliciumoxidmatrix verteilt werden.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 75 % aufweisen.
In einem Aspekt kann das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer reduzierenden Umgebung erfolgen, und die Siliciumkristallite können in einem oder mehreren Bereichen der Siliciumoxidmatrix angehäuft werden.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % aufweisen.
In einem Aspekt kann die Temperatur eine erste Temperatur und der Zeitraum ein erster Zeitraum sein. Das Verfahren kann ferner das Erhitzen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis auf eine zweite Temperatur von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C über einen zweiten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden in einer Umgebung umfassen, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, um eine oder mehrere im Wesentlichen kontinuierliche Kohlenstoffbeschichtungen auf freiliegenden Oberflächen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zu bilden.
In einem Aspekt kann das Verfahren auch die Herstellung des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen. Die Herstellung des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) kann das Kugelmahlen eines Vorläufers von Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen, so dass das Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweist.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material aus Siliciumbasis zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle bereit. Das elektroaktive Material auf Siliciumbasis kann eine Siliciumoxidmatrix und eine Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumkristalliten enthalten. Das elektroaktive Material auf Siliciumbasis kann eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 500 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm aufweisen. Die Siliciumkristallite können eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 nm haben. Das Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) in dem elektroaktiven Material auf Siliciumbasis kann mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % betragen.
In einem Aspekt können die Siliciumkristallite über die gesamte Siliciumoxidmatrix verteilt werden.
In einem Aspekt können die Siliciumkristallite in einem oder mehreren Bereichen der Siliciumoxidmatrix angehäuft sein.
In einem Aspekt kann das elektroaktive Teilchen auf Siliciumbasis außerdem eine oder mehrere Kohlenstoffbeschichtungen auf einer oder mehreren freiliegenden Oberflächen des elektroaktiven Teilchens auf Siliciumbasis enthalten. Die eine oder mehreren Kohlenstoffbeschichtungen können eine Gesamtdicke von mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger oder gleich etwa 500 nm aufweisen.
Weitere Anwendungsbereiche werden sich aus der hier gegebenen Beschreibung ergeben. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Batteriezelle;
2A zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein Beispiel für ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis mit einer Siliciumoxidmatrix und einer Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumteilchen zur Verwendung als negatives elektroaktives Material in einer elektrochemischen Zelle, wie der in 1 dargestellten elektrochemischen Batteriezelle;
2B zeigt gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung ein weiteres Beispiel für ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis mit einer Siliciumoxidmatrix und einer Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumteilchen zur Verwendung als negatives elektroaktives Material in einer elektrochemischen Zelle, wie der in 1 dargestellten elektrochemischen Batteriezelle;
3A zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis, das Siliciumkristallite in Nanogröße enthält, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) gebildete Matrix eingebettet sind, wobei die Siliciumkristallite im Wesentlichen über die gesamte Siliciumoxidmatrix verteilt werden, wie in 2A dargestellt;
3B zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis, das Siliciumkristallite in Nanogröße enthält, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) gebildete Matrix eingebettet sind, wobei die Siliciumkristallite auf einen oder mehrere Bereiche in der Siliciumoxidmatrix verteilt werden, wie in 2B dargestellt; und
4 ist eine graphische Darstellung der Zyklenstabilität von beispielhaften Batteriezellen, die gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden.

Entsprechende Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden beispielhafte Ausführungsformen angegeben, so dass diese Offenbarung gründlich ist und Fachleuten der volle Umfang vermittelt wird. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie z.B. Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Fachleuten ist klar, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen realisiert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Prozesse, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hier verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht einschränkend wirken. Wie hier verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „enthaltend“ und „aufweisend“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um die verschiedenen hier dargelegten Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff unter bestimmten Aspekten alternativ auch als ein einschränkenderer und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z.B. „bestehend aus“ oder „bestehend im Wesentlichen aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte nennt, ausdrücklich auch Ausführungsformen, die aus solchen genannten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „bestehend im Wesentlichen aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Merkmale nicht wesentlich beeinflussen, können in die Ausführungsform einbezogen werden.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie notwendigerweise in der besprochenen oder dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewandt werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff“, „verbunden“ oder „gekoppelt“ mit einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, kann sie bzw. es direkt auf, in Eingriff, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wenn dagegen ein Element als „direkt auf“, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht bezeichnet wird, dürfen keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Weise interpretiert werden (z.B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „neben“ versus „direkt neben“ usw.). Wie hier verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ alle Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe erste, zweite, dritte usw. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht bzw. Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hier verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, dies ist durch den Kontext klar angegeben. So könnte ein erster Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt, der/die/das im Folgenden erörtert wird, als zweiter Schritt, Element, Komponente, Bereich, Schicht oder Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vorher“, „nachher“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unten“, „oben“, „oberhalb“ und dergleichen können hier der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen der in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Vorrichtung oder des Systems zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar, die geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem genannten Wert sowie solche mit genau dem genannten Wert umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen am Ende der ausführlichen Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z.B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Spezifikation, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ bzw. „etwa“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ bzw. „etwa“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Etwa“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Wertes; ungefähr oder ziemlich nahe am Wert; fast). Wenn die Ungenauigkeit, die durch „etwa“ gegeben ist, in der Technik mit dieser gewöhnlichen Bedeutung nicht anderweitig verstanden wird, dann bedeutet „etwa“, wie es hier verwendet wird, zumindest Abweichungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variation von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Unterbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Eine typische Lithiumionen-Batterie umfasst eine erste Elektrode (z.B. eine positive Elektrode oder Kathode), die einer zweiten Elektrode (z.B. einer negativen Elektrode oder Anode) gegenüberliegt, und einen dazwischen angeordneten Separator und/oder Elektrolyten. In einem Lithiumionen-Batteriepack können oft Batterien oder Zellen in einer Stapel- oder Wicklungskonfiguration elektrisch verbunden werden, um die Gesamtleistung zu erhöhen. Lithiumionen-Batterien arbeiten, indem sie Lithiumionen reversibel zwischen der ersten und zweiten Elektrode transportieren. Zum Beispiel können sich Lithiumionen während des Ladens der Batterie von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode und beim Entladen der Batterie in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Elektrolyt ist für die Leitung von Lithiumionen (oder Natriumionen im Falle von Natriumionen-Batterien und dergleichen) geeignet und kann in flüssiger, Gel- oder fester Form vorliegen. Eine beispielhafte und schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle (auch als Batterie bezeichnet) 20 ist in 1 dargestellt.
Solche Zellen werden in Fahrzeug- oder Autotransportanwendungen (z.B. Motorräder, Boote, Traktoren, Busse, Motorräder, Wohnmobile, Wohnwagen und Panzer) eingesetzt. Die vorliegende Technologie kann jedoch als nicht einschränkendes Beispiel in einer Vielzahl anderer Branchen und Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, in Konsumgütern, Vorrichtungen, Gebäuden (z.B. Häuser, Büros, Schuppen und Lagerhallen), Bürogeräten und Möbeln sowie in Maschinen für die Industrie, in agrarwirtschaftlichen oder landwirtschaftlichen Geräten oder in schweren Maschinen. Obwohl ferner die dargestellten Beispiele eine einzelne positive Elektroden-Kathode und eine einzelne Anode umfassen, ist Fachleuten klar, dass sich die vorliegenden Lehren auf verschiedene andere Konfigurationen erstrecken, einschließlich solcher mit einer oder mehreren Kathoden und einer oder mehreren Anoden, sowie verschiedenen Stromkollektoren mit elektroaktiven Schichten, die auf oder neben einer oder mehreren Oberflächen davon angeordnet sind.
Die Batterie 20 enthält eine negative Elektrode 22 (z.B. Anode), eine positive Elektrode 24 (z.B. Kathode) und einen Separator 26, der zwischen den zwei Elektroden 22, 24 angeordnet ist. Der Separator 26 sorgt für eine elektrische Trennung - er verhindert den physischen Kontakt - zwischen den Elektroden 22, 24. Ferner bietet der Separator 26 einen Weg minimalen Widerstands für den internen Durchgang von Lithiumionen und in bestimmten Fällen von zugeordneten Anionen während der zyklischen Bewegung der Lithiumionen. In verschiedenen Aspekten umfasst der Separator 26 einen Elektrolyten 30, der in bestimmten Aspekten auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 vorhanden sein kann. In bestimmten Variationen kann der Separator 26 aus einem Festkörperelektrolyten oder einem halbfesten Elektrolyten (z.B. einem Gelelektrolyten) gebildet sein. Zum Beispiel kann der Separator 26 durch eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen definiert sein (nicht abgebildet). Bei Festkörperbatterien und/oder halbfesten bzw. Semi-Festkörperbatterien können die positive Elektrode 24 und/oder die negative Elektrode 22 eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten. Die Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen, die im Separator 26 enthalten sind oder diesen bilden, kann gleich oder verschieden von der Vielzahl der Festkörperelektrolytteilchen sein, die in der positiven Elektrode 24 und/oder der negativen Elektrode 22 enthalten sind.
Ein Stromkollektor 32 für die negative Elektrode kann an oder in der Nähe der negativen Elektrode 22 angebracht sein. Der Stromkollektor 32 der negativen Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Kupfer oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Ein Stromkollektor 34 für die positive Elektrode kann an oder in der Nähe der positiven Elektrode 24 angeordnet sein. Der Stromkollektor 34 der positiven Elektrode kann eine Metallfolie, ein Metallgitter oder -schirm oder Streckmetall aus Aluminium oder einem anderen geeigneten elektrisch leitenden Material sein, das den Fachleuten bekannt ist. Der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode sammeln jeweils freie Elektronen und bewegen sie zu und von einem externen Stromkreis 40. Beispielsweise können ein unterbrechbarer externer Stromkreis 40 und eine Lastvorrichtung 42 die negative Elektrode 22 (über den Stromkollektor 32 der negativen Elektrode) und die positive Elektrode 24 (über den Stromkollektor 34 der positiven Elektrode) verbinden.
Die Batterie 20 kann während der Entladung einen elektrischen Strom durch reversible elektrochemische Reaktionen erzeugen, die auftreten, wenn der externe Stromkreis 40 geschlossen ist (um die negative Elektrode 22 und die positive Elektrode 24 zu verbinden), und die negative Elektrode 22 hat ein niedrigeres Potential als die positive Elektrode. Die chemische Potentialdifferenz zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 treibt die durch die Oxidation des an der negativen Elektrode 22 eingelagerten Lithiums erzeugten Elektronen durch den äußeren Stromkreis 40 in Richtung der positiven Elektrode 24. Lithiumionen, die auch an der negativen Elektrode 22 erzeugt werden, werden gleichzeitig durch den im Separator 26 enthaltenen Elektrolyten 30 zur positiven Elektrode 24 transportiert. Die Elektronen fließen durch den externen Stromkreis 40, und die Lithiumionen wandern durch den Separator 26, der den Elektrolyten 30 enthält, um an der positiven Elektrode 24 eingelagertes Lithium zu bilden. Wie oben erwähnt, befindet sich der Elektrolyt 30 typischerweise auch in der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24. Der durch den externen Stromkreis 40 fließende elektrische Strom kann nutzbar gemacht und durch die Lastvorrichtung 42 geleitet werden, bis das verfügbare Lithium in der negativen Elektrode 22 verbraucht ist und die Kapazität der Batterie 20 abgenommen hat.
Die Batterie 20 kann jederzeit durch Anschluss einer externen Stromquelle an die Lithiumionen-Batterie 20 geladen oder wieder mit Strom versorgt werden, um die elektrochemischen Reaktionen, die bei der Entladung der Batterie auftreten, umzukehren. Das Anschließen einer externen elektrischen Energiequelle an die Batterie 20 fördert eine Reaktion, z.B. die nicht spontane Oxidation von eingelagertem Lithium, an der positiven Elektrode 24, so dass Elektronen und Lithiumionen erzeugt werden. Die Lithiumionen fließen durch den Elektrolyten 30 über den Separator 26 zurück zur negativen Elektrode 22, um die negative Elektrode 22 mit Lithium (z.B. eingelagertem Lithium) zur Verwendung während des nächsten Batterieentladevorgangs aufzufüllen. Somit wird ein vollständiger Entladevorgang, gefolgt von einem vollständigen Ladevorgang, als ein Zyklus betrachtet, bei dem Lithiumionen zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 zyklisch bewegt werden. Die externe Stromquelle, die zum Laden der Batterie 20 verwendet werden kann, kann je nach Größe, Konstruktion und besonderer Endanwendung der Batterie 20 variieren. Einige bemerkenswerte und beispielhafte externe Stromquellen sind unter anderem ein AC-DC-Wandler, der über eine Steckdose an ein Wechselstromnetz angeschlossen ist, und eine Lichtmaschine eines Kraftfahrzeugs.
In vielen Konfigurationen der Lithiumionen-Batterie werden jeweils der Stromkollektor 32 für die negative Elektrode, die negative Elektrode 22, der Separator 26, die positive Elektrode 24 und der Stromkollektor 34 für die positive Elektrode als relativ dünne Schichten (z.B. von einigen Mikrometern bis zu einem Bruchteil eines Millimeters oder weniger Dicke) hergestellt und in elektrisch parallelgeschalteten Schichten zusammengesetzt, um ein geeignetes elektrisches Energie- und Leistungspaket zu erhalten. In verschiedenen Aspekten kann die Batterie 20 auch eine Vielzahl anderer Komponenten enthalten, die hier zwar nicht dargestellt sind, die aber dennoch den Fachleuten bekannt sind. Zum Beispiel kann die Batterie 20 ein Gehäuse, Dichtungen, Anschlusskappen, Laschen, Batterieanschlüsse und alle anderen herkömmlichen Komponenten oder Materialien enthalten, die sich innerhalb der Batterie 20 befinden können, u.a. zwischen oder um die negative Elektrode 22, die positive Elektrode 24 und/oder den Separator 26 herum. Die in 1 dargestellte Batterie 20 enthält einen flüssigen Elektrolyten 30 und zeigt repräsentative Konzepte des Batteriebetriebs. Die vorliegende Technologie gilt jedoch auch für Festkörperbatterien und/oder halbfeste Batterien, die Festkörperelektrolyte und/oder Festkörperelektrolytteilchen und/oder halbfeste Elektrolyte und/oder elektroaktive Festkörperteilchen enthalten, die, wie Fachleuten klar ist, unterschiedlich aufgebaut sein können.
Wie oben erwähnt, können Größe und Form der Batterie 20 je nach den speziellen Anwendungen, für die sie ausgelegt ist, variieren. Batteriebetriebene Fahrzeuge und tragbare Geräte der Unterhaltungselektronik sind beispielsweise zwei Beispiele, bei denen die Batterie 20 höchstwahrscheinlich nach unterschiedlichen Größen-, Kapazitäts- und Leistungsspezifikationen ausgelegt ist. Die Batterie 20 kann auch mit anderen ähnlichen Lithiumionen-Zellen oder -Batterien in Reihe oder parallelgeschaltet werden, um eine höhere Ausgangsspannung, Energie und Leistung zu erzeugen, wenn dies von der Lastvorrichtung 42 benötigt wird. Dementsprechend kann die Batterie 20 elektrischen Strom für eine Lastvorrichtung 42 erzeugen, die Teil des externen Stromkreises 40 ist. Die Lastvorrichtung 42 kann ganz oder teilweise durch den elektrischen Strom gespeist werden, der durch den externen Stromkreis 40 fließt, wenn die Batterie 20 entladen wird. Bei der elektrischen Lastvorrichtung 42 kann es sich um eine beliebige Anzahl bekannter elektrisch betriebener Geräte handeln. Einige spezifische Beispiele sind ein Elektromotor für ein elektrifiziertes Fahrzeug, ein Laptop-Computer, ein Tablet-Computer, ein Mobiltelefon und schnurlose Elektrowerkzeuge oder Geräte. Die Lastvorrichtung 42 kann auch ein stromerzeugendes Gerät sein, das die Batterie 20 zum Zwecke der Speicherung von elektrischer Energie auflädt.
Mit erneutem Bezug auf 1 können die positive Elektrode 24, die negative Elektrode 22 und der Separator 26 jeweils eine Elektrolytlösung oder ein Elektrolytsystem 30 innerhalb ihrer Poren enthalten, die in der Lage sind, Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 zu leiten. Jeder geeignete Elektrolyt 30, sei es in fester, flüssiger oder Gel-Form, der Lithiumionen zwischen der negativen Elektrode 22 und der positiven Elektrode 24 leiten kann, kann in der Lithiumionen-Batterie 20 verwendet werden. In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung (z.B. > 1 M) sein, die ein in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöstes Lithiumsalz enthält. In der Lithiumionen-Batterie 20 können zahlreiche herkömmliche nichtwässrige flüssige Lösungen mit Elektrolyt 30 verwendet werden.
In bestimmten Aspekten kann der Elektrolyt 30 eine nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung sein, die ein oder mehrere in einem organischen Lösungsmittel oder einem Gemisch organischer Lösungsmittel gelöste Lithiumsalze enthält. Eine nicht einschränkende Liste von Lithiumsalzen, die in einem organischen Lösungsmittel gelöst sein können, um die nichtwässrige flüssige Elektrolytlösung zu bilden, umfasst beispielsweise Lithiumhexafluorphosphat (LiPF₆), Lithiumperchlorat (LiClO₄), Lithiumtetrachloroaluminat (LiAlCl₄), Lithiumiodid (Lil), Lithiumbromid (LiBr), Lithiumthiocyanat (LiSCN), Lithiumtetrafluoroborat (LiBF₄), Lithiumtetraphenylborat (LiB(C₆H₅)₄), Lithiumbis(oxalat)borat (LiB(C₂O₄)₂) (LiBOB), Lithiumdifluoroxalatoborat (LiBF₂(C₂O₄)), Lithiumhexafluoroarsenat (LiAsF₆), Lithiumtrifluormethansulfonat (LiCF₃SO₃), Lithiumbis(trifluormethan)sulfonylimid (LiN(CF₃SO₂)₂), Lithiumbis(fluorosulfonyl)imid (LiN(FSO₂)₂) (LiSFI) und Kombinationen davon.
Diese und andere ähnliche Lithiumsalze können in einer Vielzahl von nichtwässrigen aprotischen organischen Lösungsmitteln gelöst werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, verschiedene Alkylcarbonate, wie z.B. zyklische Carbonate (z.B. Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Butylencarbonat (BC), Fluorethylencarbonat (FEC)), lineare Carbonate (z.B. Dimethylcarbonat (DMC), Diethylcarbonat (DEC), Ethylmethylcarbonat (EMC)), aliphatische Carbonsäureester (z.B. Methylformiat, Methylacetat, Methylpropionat), γ-Lactone (γ-Butyrolacton, γ-Valerolacton), Ether mit Kettenstruktur (z.B. 1,2-Dimethoxyethan, 1-2-Diethoxyethan, Ethoxymethoxyethan), zyklische Ether (z.B. Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran), 1,3-Dioxolan), Schwefelverbindungen (z.B. Sulfolan) und Kombinationen davon.
Der poröse Separator 26 kann in bestimmten Fällen einen mikroporösen polymeren Separator umfassen, der ein Polyolefin enthält. Das Polyolefin kann ein Homopolymer (abgeleitet von einem einzigen Monomerbestandteil) oder ein Heteropolymer (abgeleitet von mehr als einem Monomerbestandteil) sein, das entweder linear oder verzweigt sein kann. Wenn ein Heteropolymer aus zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann das Polyolefin jede beliebige Copolymer-Kettenanordnung annehmen, einschließlich der eines Block-Copolymers oder eines statistischen Copolymers. Wenn das Polyolefin in ähnlicher Weise ein Heteropolymer ist, das von mehr als zwei Monomerbestandteilen abgeleitet ist, kann es sich ebenfalls um ein Blockcopolymer oder ein statistisches Copolymer handeln. In bestimmten Aspekten kann das Polyolefin Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder eine Mischung aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) oder mehrschichtige strukturierte poröse Folien aus PE und/oder PP sein. Zu den kommerziell erhältlichen Membranen für den porösen Polyolefin-Separator 26 gehören CELGARD^® 2500 (ein einschichtiger Polypropylen-Separator) und CELGARD^® 2320 (ein dreischichtiger Polypropylen/Polyethylen/Polypropylen-Separator), die bei Celgard LLC erhältlich sind.
Wenn der Separator 26 ein mikroporöser polymerer Separator ist, kann es sich um eine einzelne Schicht oder ein mehrlagiges Laminat handeln, das entweder in einem Trocken- oder Nassverfahren hergestellt werden kann. Zum Beispiel kann in bestimmten Fällen eine einzige Schicht des Polyolefins den gesamten Separator 26 bilden. In anderen Aspekten kann der Separator 26 eine faserige Membran mit einer Fülle von Poren sein, die sich zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erstrecken und beispielsweise eine Dicke von weniger als einem Millimeter aufweisen. Als weiteres Beispiel können jedoch mehrere diskrete Schichten aus ähnlichen oder unähnlichen Polyolefinen zur Bildung des mikroporösen Polymerseparators 26 zusammengesetzt werden. Der Separator 26 kann neben dem Polyolefin auch andere Polymere enthalten, wie z.B., aber nicht beschränkt auf, Polyethylenterephthalat (PET), Polyvinylidenfluorid (PVdF), ein Polyamid, Polyimid, Poly(amid-imid)-Copolymer, Polyetherimid und/oder Zellulose oder jedes andere Material, das geeignet ist, die gewünschte poröse Struktur zu erzeugen. Die Polyolefinschicht und alle anderen optionalen Polymerschichten können weiterhin als Faserschicht in den Separator 26 eingebracht werden, um zu helfen, dem Separator 26 geeignete Struktur- und Porositätseigenschaften zu verleihen.
In bestimmten Aspekten kann der Separator 26 außerdem eine oder mehrere keramische Materialien und ein hitzebeständiges Material enthalten. Beispielsweise kann der Separator 26 auch mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material vermischt werden, oder eine oder mehrere Oberflächen des Separators 26 können mit dem keramischen Material und/oder dem hitzebeständigen Material beschichtet werden. In bestimmten Variationen kann das keramische Material und/oder das hitzebeständige Material auf einer oder mehreren Seiten des Separators 26 angeordnet sein. Das keramische Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) und Kombinationen davon. Das hitzebeständige Material kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus: Nomex, Aramid und Kombinationen daraus.
Verschiedene herkömmlich verfügbare Polymere und kommerzielle Produkte zur Herstellung des Separators 26 werden in Betracht gezogen, ebenso wie die vielen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung eines solchen mikroporösen Polymerseparators 26 eingesetzt werden können. In jedem Fall kann der Separator 26 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 50 µm haben, und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 20 µm. Der Separator 26 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 50 µm und in bestimmten Fällen optional mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 20 µm haben.
In verschiedenen Aspekten können der poröse Separator 26 und/oder der im porösen Separator 26 befindliche Elektrolyt 30 gemäß Darstellung in 1 durch eine Festkörperelektrolyt („SSE“)-Schicht (nicht dargestellt) und/oder einen halbfesten Elektrolyten (z.B. Gelschicht) ersetzt werden, der sowohl als Elektrolyt als auch als Separator fungiert. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht kann zwischen der positiven Elektrode 24 und der negativen Elektrode 22 angeordnet sein. Die Festkörperelektrolytschicht und/oder Halbfestkörperelektrolytschicht erleichtert den Transfer von Lithiumionen, während sie die negative und positive Elektrode 22, 24 mechanisch trennt und elektrisch voneinander isoliert. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Festkörperelektrolytschicht und/oder halbfeste Elektrolytschicht eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen enthalten, wie LiTi₂(PO₄)₃, LiGe₂(PO₄)₃, Li₇La₃Zr₂O₁₂, Li₃xLa_2/3-xTiO₃, Li₃PO₄, Li₃N, Li₄GeS₄, Li₁₀GeP₂S₁₂, Li₂S-P₂S₅, Li₆PS₅Cl, Li₆PS₅Br, Li₆PS₅I, Li₃OCl, Li_2,99Ba_0,005ClO oder Kombinationen davon. Bei den Festkörperelektrolytteilchen kann es sich um nanometergroße Festkörperelektrolytteilchen auf Oxidbasis handeln.
Die positive Elektrode 24 kann aus einem aktiven Material auf Lithiumbasis (oder einem aktiven Material auf Natriumbasis im Falle von Natriumionen-Batterien oder dergleichen) gebildet werden, das in der Lage ist, Lithiumeinlagerung und -auslagerung, Legierung und De-Legierung oder Plattierung und Ablösung zu erfahren, während es als positiver Pol der Batterie 20 fungiert. Die positive Elektrode 24 kann durch eine Vielzahl von elektroaktiven Materialteilchen gebildet sein (nicht gezeigt). Solche positiven elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet werden, um die dreidimensionale Struktur der positiven Elektrode 24 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der positiven Elektrode 24 enthalten. Die positive Elektrode 24 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die positive Elektrode 24 eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die positive Elektrode 24 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm.
Eine beispielhafte gemeinsame Klasse von bekannten Materialien, die zur Bildung der positiven Elektrode 24 verwendet werden können, sind geschichtete Lithium-Übergangsmetalloxide. In bestimmten Aspekten kann die positive Elektrode 24 beispielsweise ein oder mehrere Materialien mit einer Spinellstruktur umfassen, wie Lithium-Manganoxid (Li_(1+x)Mn₂O₄, wobei 0,1 ≤ x ≤ 1) (LMO), Lithium-Mangan-Nickeloxid (LiMn_(2-x)Ni_xO₄, wobei 0 ≤ x ≤ 0,5) (NMC) (z.B. LiMn_1,5Ni_0,5O₄); ein oder mehrere Materialien mit Schichtstruktur, wie z.B. Lithium-Cobaltoxid (LiCoO₂), Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid (Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂, wobei 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z ≤ 1 und x + y + z = 1) (z.B. LiMn_0,33Ni_0,33Co_0,33O₂) oder ein Lithium-Nickel-Cobalt-Metalloxid (LiNi_(1-x-y)Co_xM_yO₂, wobei 0 < x < 0,2, y < 0,2 und M Al, Mg, Ti oder dergl. sein kann); oder ein Lithium-Eisen-Polyanionoxid mit Olivinstruktur, wie Lithium-Eisenphosphat (LiFePO₄) (LFP), Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LiMn_2-xFe_xPO₄, wobei 0 < x < 0,3) (LFMP) oder Lithium-Eisen-Fluorophosphat (Li₂FePO₄F). In verschiedenen Aspekten kann die positive Elektrode 24 ein oder mehrere elektroaktive Materialien enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus: NCM 111, NCM 532, NCM 622, NCM 811, NCMA, LFP, LMO, LFMP, LLC und Kombinationen davon.
In bestimmten Variationen kann das positive elektroaktive Material bzw. können die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 optional mit einem elektronisch leitenden Material vermischt sein, das einen Elektronenleitungspfad und/oder mindestens ein polymeres Bindemittelmaterial bereitstellt, das die strukturelle Integrität der Elektrode 24 verbessert. Zum Beispiel können die positiven elektroaktiven Materialien in der positiven Elektrode 24 optional mit Bindemitteln vermischt werden (z.B. im Schlickerguss), wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (wie KETJEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 98 Gew.-% des/der positiven elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
Die positive Elektrode 24 kann mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 98 Gew.-% des/der positiven elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, des mindestens einen polymeren Bindemittels.
Die negative Elektrode 22 kann aus einem Lithium-Wirtsmaterial (oder einem aktiven Material auf Natriumbasis im Falle von Natriumionen-Batterien oder dergleichen) gebildet sein, das als negativer Pol der Batterie 20 fungieren kann. In verschiedenen Aspekten kann die negative Elektrode 22 durch eine Vielzahl negativer elektroaktiver Materialteilchen definiert sein (nicht gezeigt). Solche negativen elektroaktiven Materialteilchen können in einer oder mehreren Schichten angeordnet sein, um die dreidimensionale Struktur der negativen Elektrode 22 zu definieren. Der Elektrolyt 30 kann z.B. nach dem Zusammenbau der Zelle eingebracht werden und ist in Poren (nicht dargestellt) der negativen Elektrode 22 enthalten. Die negative Elektrode 22 kann z.B. in bestimmten Variationen eine Vielzahl von Festkörperelektrolytteilchen (nicht dargestellt) enthalten. In jedem Fall kann die negative Elektrode 22 (mit der einen oder den mehreren Schichten) eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 500 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 µm bis weniger als oder gleich etwa 200 µm. Die negative Elektrode 22 (mit der einen oder mehreren Schichten) kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 µm bis weniger als oder gleich 500 µm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 µm bis weniger als oder gleich 200 µm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten kann das negative elektroaktive Material ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis sein, und in weiteren Variationen kann das negative elektroaktive Material eine Kombination aus dem elektroaktiven Material auf Siliciumbasis (d.h. dem ersten negativen elektroaktiven Material) und einem oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien umfassen. Die ein oder mehreren anderen negativen elektroaktiven Materialien umfassen nur beispielsweise kohlenstoffhaltige Materialien (wie Graphit, Hartkohle, Weichkohle und dergleichen) und metallische aktive Materialien (wie Zinn, Aluminium, Magnesium, Germanium und deren Legierungen und dergleichen). In bestimmten Variationen kann das negative elektroaktive Material beispielsweise ein Verbundmaterial auf Kohlenstoff-Silicium-Basis umfassen, das z.B. etwa 10 Gew.-% eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis und etwa 90 Gew.-% Graphit enthält. Das negative elektroaktive Material kann ein Verbundmaterial auf Kohlenstoff-Silicium-Basis enthalten, das z.B. 10 Gew.-% eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis und 90 Gew.-% Graphit enthält.
Wie oben beschrieben, kann die negative Elektrode 22 während der Entladung eine vergleichsweise hohe Konzentration an Lithium enthalten, das zu Lithiumionen und Elektronen oxidiert wird. Lithiumionen können von der negativen Elektrode 22 zur positiven Elektrode 24 wandern, z.B. durch den ionisch leitend Elektrolyten 30, der in den Poren eines dazwischen befindlichen porösen Separators 26 enthalten ist. Gleichzeitig durchlaufen die Elektronen einen externen Stromkreis 40 von der negativen Elektrode 22 zur positiven Elektrode 24. Solche Lithiumionen können durch eine elektrochemische Reduktionsreaktion in das Material der positiven Elektrode 22 eingebaut werden. Die Batterie 20 kann nach einer teilweisen oder vollständigen Entladung ihrer verfügbaren Kapazität durch eine externe Stromquelle wieder aufgeladen oder regeneriert werden, wodurch die elektrochemischen Reaktionen, die während der Entladung stattfanden, umgekehrt werden.
In bestimmten Fällen, insbesondere bei siliciumhaltigen elektroaktiven Materialien, verbleibt jedoch häufig ein Teil des eingelagerten Lithiums bei der negativen Elektrode 22. Zum Beispiel als Ergebnis von Umwandlungsreaktionen und/oder der Bildung von Li_xSi und/oder einer Festelektrolyt-Phasengrenzflächen (solid electrolyte interphase bzw. SEI)-Schicht (nicht gezeigt) auf der negativen Elektrode 22 während des ersten Zyklus, sowie fortlaufendem Lithiumverlust, z.B. durch fortlaufenden Bruch und Wiederaufbau der Festelektrolyt-Phasengrenzfläche (SEI). Auf der Oberfläche der negativen Elektrode 22 kann sich die Festelektrolyt-Grenzflächen (solid electrolyte interface bzw. SEI)-Schicht bilden, die häufig durch die Zersetzung des Elektrolyten entsteht, bei der Lithiumionen irreversibel verbraucht werden. Dieser permanente Verlust von Lithiumionen kann zu einer verringerten spezifischen Energie und Leistung in der Batterie 20 führen. Zum Beispiel kann die Batterie 20 nach dem ersten Zyklus einen irreversiblen Kapazitätsverlust von mehr als oder gleich etwa 5 % bis weniger als oder gleich etwa 40 % aufweisen.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis mit einer Siliciumoxidmatrix und einer Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumteilchen zur Verfügung, das als negatives elektroaktives Material in einer elektrochemischen Zelle, wie der in 1 dargestellten Batterie 20, verwendet werden kann. In solchen Fällen schützt die Siliciumoxidmatrix das eingebettete Silicium vor dem Elektrolyten (z.B. Elektrolyt 30), wodurch die mechanische Beschädigung des Siliciums unterdrückt wird, die während und als Folge der Bildung einer oder mehrerer Festelektrolyt-Phasengrenzflächenschichten auf dem Silicium auftritt.
Die 2A-2B zeigen ein elektroaktives Material 200 auf Siliciumbasis mit Siliciumkristalliten 210 in Nanogröße, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) gebildete Matrix 220 eingebettet sind. Beispielsweise kann das elektroaktive Material 200 auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 75 % enthalten. Das elektroaktive Material 200 auf Siliciumbasis kann ein Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich 15 % bis weniger als oder gleich 90 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 15 % bis weniger als oder gleich 75 % aufweisen.
In verschiedenen Aspekten kann das elektroaktive Material 200 auf Siliciumbasis eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 500 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 nm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm. Das elektroaktive Material 200 auf Siliciumbasis kann eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich 500 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 50 nm bis weniger als oder gleich etwa 5 µm. Die Siliciumkristallite 210 können eine durchschnittliche Kristallgröße von mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 nm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 10 nm bis weniger als oder gleich etwa 500 nm aufweisen. Die Siliciumkristallite 210 können eine durchschnittliche Kristallgröße von mehr als oder gleich 5 nm bis weniger als oder gleich 100 nm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 10 nm bis weniger als oder gleich 500 nm aufweisen.
In verschiedenen Aspekten können, wie in 2A dargestellt, die Siliciumkristallite 210 im Wesentlichen in der Siliciumoxidmatrix 220 dispergiert oder verteilt sein, z.B. im Fall von geringeren Anteilen an Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x). In solchen Fällen kann das Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 75 % betragen. Das Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) kann mehr als oder gleich 15 % bis weniger als oder gleich 75 % betragen. In anderen Variationen können, wie in 2B dargestellt, die Siliciumkristallite 210 in einem oder mehreren Bereichen der Siliciumoxidmatrix 220 angehäuft oder konzentriert sein, z.B. im Falle höherer Anteile von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x). In solchen Fällen kann das Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % betragen. Das Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) kann mehr als oder gleich 15 % bis weniger als oder gleich 90 % betragen. Darüber hinaus kann die Verteilung der Siliciumkristallite 210 in der Siliciumoxidmatrix 220 vom Herstellungsprozess abhängen, wie weiter unten beschrieben wird. Beispielsweise kann die Herstellung des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis 200 in einer reduzierenden Umgebung dazu führen, dass die Siliciumkristallite 210 in einem oder mehreren Bereichen in der Siliciumoxidmatrix 220 angehäuft werden, wie in 2B dargestellt, während die Herstellung des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis in einer inerten Atmosphäre dazu führen kann, dass die Siliciumkristallite 210 im Wesentlichen in der gesamten Siliciumoxidmatrix 220 verteilt werden, wie in 2A dargestellt.
In jedem Fall kann das elektroaktive Material 200 auf Siliciumbasis eine Kohlenstoffbeschichtung 230 auf seiner freiliegenden Oberfläche aufweisen, die zur Verringerung des Innenwiderstands beitragen kann. Wie weiter unten beschrieben, kann die Kohlenstoffbeschichtung 230 hergestellt werden, indem das elektroaktive Material 200 auf Siliciumbasis einem oder mehreren Kohlenwasserstoffgasen (z.B. CH₄, C₂H₂, C₃H₆ und dergleichen) in einer Hochtemperaturumgebung (z.B. größer als oder gleich etwa 600 °C bis kleiner als oder gleich etwa 1200 °C) ausgesetzt wird. Die Kohlenstoffbeschichtung 230 kann eine Dicke von mehr als oder gleich etwa 1 nm bis weniger als oder gleich etwa 500 nm und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger als oder gleich etwa 50 nm haben. Die Kohlenstoffbeschichtung 230 kann eine Dicke von mehr als oder gleich 1 nm bis weniger als oder gleich 500 nm haben, und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 5 nm bis weniger als oder gleich 50 nm.
Die Kohlenstoffbeschichtung 230 kann eine im Wesentlichen kontinuierliche Beschichtung sein, die beispielsweise mehr als oder gleich etwa 80 %, optional mehr als oder gleich etwa 85 %, optional mehr als oder gleich etwa 90 %, optional mehr als oder gleich etwa 91 %, optional mehr als oder gleich etwa 92 %, optional mehr als oder gleich etwa 93 %, optional mehr als oder gleich etwa 94 %, optional mehr als oder gleich etwa 95 %, optional mehr als oder gleich etwa 96 %, optional mehr als oder gleich etwa 97 %, optional mehr als oder gleich etwa 98 %, optional mehr als oder gleich etwa 99 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 99,5 % der gesamten freiliegenden Oberfläche des elektroaktiven Materials 200 auf Siliciumbasis bedeckt.
Die Kohlenstoffbeschichtung 230 kann eine im Wesentlichen kontinuierliche Beschichtung sein, die beispielsweise mehr als oder gleich 80 %, optional mehr als oder gleich 85 %, optional mehr als oder gleich 90 %, optional mehr als oder gleich 91 %, optional mehr als oder gleich 92 %, optional mehr als oder gleich 93 %, optional mehr als oder gleich 94 %, optional mehr als oder gleich 95 %, optional mehr als oder gleich 96 %, optional mehr als oder gleich 97 %, optional mehr als oder gleich 98 %, optional mehr als oder gleich 99 % und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 99,5 % der gesamten freiliegenden Oberfläche des elektroaktiven Materials 200 auf Siliciumbasis bedeckt.
Gemäß 1 kann in bestimmten Variationen das negative elektroaktive Material bzw. können die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 optional mit einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien, die einen elektronenleitenden Pfad bereitstellen, und/oder mindestens einem polymeren Bindemittelmaterial, das die strukturelle Integrität der negativen Elektrode 22 verbessert, vermischt sein. Beispielsweise kann das oder können die negativen elektroaktiven Materialien in der negativen Elektrode 22 optional vermischt werden mit Bindemitteln wie Polyimid, Polyamidsäure, Polyamid, Polysulfon, Polyvinylidendifluorid (PVdF), Polytetrafluorethylen (PTFE), Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM)-Kautschuk, oder Carboxymethylcellulose (CMC), ein Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR), Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR), Lithium-Polyacrylat (LiPAA), Natrium-Polyacrylat (NaPAA), Natriumalginat oder Lithiumalginat. Zu den elektrisch leitfähigen Materialien können Materialien auf Kohlenstoffbasis, Nickelpulver oder andere Metallteilchen oder ein leitfähiges Polymer gehören. Materialien auf Kohlenstoffbasis können z.B. Teilchen aus Graphit, Acetylenruß (wie KETCHEN™-Ruß oder DENKA™-Ruß), Kohlenstofffasern und -nanoröhren, Graphen und ähnliches enthalten. Beispiele für ein leitfähiges Polymer sind Polyanilin, Polythiophen, Polyacetylen, Polypyrrol und dergleichen. In bestimmten Aspekten können auch Mischungen der leitfähigen Materialien verwendet werden.
Die negative Elektrode 22 kann mehr als oder gleich etwa 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich etwa 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich etwa 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% des mindestens einen polymeren Bindemittels.
Die negative Elektrode 22 kann mehr als oder gleich 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-%, optional mehr als oder gleich 10 Gew.-% bis weniger als oder gleich 99 Gew.-% und in bestimmten Variationen mehr als oder gleich 50 Gew.-% bis weniger als oder gleich 95 Gew.-% des/der negativen elektroaktiven Materials/Materialien enthalten; mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials; und mehr als oder gleich 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich 40 Gew.-% und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 1 Gew.-% bis weniger als oder gleich 20 Gew.-%, des mindestens einen polymeren Bindemittels.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Bildung von elektroaktiven Materialien auf Siliciumbasis bereit, die eine Siliciumoxidmatrix und eine Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumteilchen aufweisen, wie die in den 2A und 2B dargestellten elektroaktiven Materialien auf Siliciumbasis. Die Verfahren können im Allgemeinen das Erhitzen von Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) beispielsweise auf Temperaturen größer oder gleich etwa 600 °C bis kleiner oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 900 °C bis kleiner oder gleich etwa 1100 °C über einen Zeitraum größer oder gleich etwa 30 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 2 Stunden bis kleiner oder gleich etwa 6 Stunden umfassen, wobei kürzere Zeiträume oft höhere Temperaturen aufweisen. Die Verfahren können im Allgemeinen das Erhitzen von Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) beispielsweise auf Temperaturen von größer oder gleich 600 °C bis kleiner oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 900 °C bis kleiner oder gleich 1100 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich 30 Minuten bis kleiner oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 2 Stunden bis kleiner oder gleich 6 Stunden umfassen, wobei kürzere Zeiträume oft höhere Temperaturen aufweisen.
3A zeigt ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis, das Siliciumkristallite in Nanogröße enthält, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 300 ≤ x ≤ 1) gebildete Matrix eingebettet sind, wobei die Siliciumkristallite im Wesentlichen über die gesamte Siliciumoxidmatrix verteilt werden, wie in 2A dargestellt. Elektroaktive Materialien auf Siliciumbasis, die nach dem Verfahren 300 hergestellt werden, können einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 75 % aufweisen. Elektroaktive Materialien auf Siliciumbasis, die nach dem Verfahren 300 hergestellt werden, können einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich 15 % bis weniger als oder gleich 75 % aufweisen.
Das Verfahren 300 umfasst das Erhitzen 320 von Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer inerten Atmosphäre. Beispielsweise können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf Temperaturen von größer oder gleich etwa 600 °C bis kleiner oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 900 °C bis kleiner oder gleich etwa 1100 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich etwa 30 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 2 Stunden bis kleiner oder gleich etwa 6 Stunden erhitzt werden, wobei kürzere Zeiträume häufig höhere Temperaturen aufweisen, um ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis zu bilden, das Siliciumkristallite in Nanogröße enthält, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 1 ≤ x ≤ 2) gebildete Matrix eingebettet sind, wobei die Siliciumkristallite im Wesentlichen in der ganzen Siliciumoxidmatrix verteilt sind. In bestimmten Variationen können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf Temperaturen von größer oder gleich 600 °C bis kleiner oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 900 °C bis kleiner oder gleich 1100 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich 30 Minuten bis kleiner oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 2 Stunden bis kleiner oder gleich 6 Stunden erhitzt werden. In jedem Fall kann die inerte Atmosphäre z.B. Argon- (Ar), Helium- (He) und/oder Stickstoffgas (N₂) enthalten.
In bestimmten Variationen können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer Rate von mehr als oder gleich etwa 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich etwa 20 °C pro Minute auf Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 800 °C bis weniger als oder gleich etwa 1100 °C erhitzt werden; und nach dem Erreichen der Temperatur können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) bei Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 800 °C bis weniger als oder gleich etwa 1100 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 6 Stunden gehalten werden.
In bestimmten Variationen können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer Rate von mehr als oder gleich 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich 20 °C pro Minute auf Temperaturen von mehr als oder gleich 600 °C bis weniger als oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 800 °C bis weniger als oder gleich 1100 °C erhitzt werden; und nach Erreichen der Temperatur können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) bei Temperaturen von mehr als oder gleich 600 °C bis weniger als oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 800 °C bis weniger als oder gleich 1100 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich 30 Minuten bis weniger als oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 2 Stunden bis weniger als oder gleich 6 Stunden gehalten werden.
In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren 300 die Herstellung 310 von Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen. In bestimmten Variationen kann die Herstellung 310 der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) die Zerkleinerung von Vorläufern der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen, beispielsweise durch Kugelmahlverfahren. Die Vorläufer der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 5 µm haben. Die Vorläufer der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 µm haben. Die hergestellten Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweisen. Die hergestellten Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 3 µm aufweisen. Die geringere Teilchengröße führt häufig zu einer geringeren mechanischen und chemischen Zersetzung und damit zu einer längeren Lebensdauer.
In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren 300 ferner das Erhitzen 330 des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis in Gegenwart eines oder mehrerer Kohlenwasserstoffgase, wie CH₄, C₂H₂, C₃H₆ und dergleichen, umfassen. Beispielsweise kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis auf Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 800 °C bis weniger als oder gleich etwa 1100 °C über einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder etwa gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 6 Stunden erhitzt werden, wobei kürzere Zeiträume oft höhere Temperaturen aufweisen, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Kohlenstoffbeschichtung auf freiliegenden Oberflächen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zu erzeugen. In bestimmten Variationen kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis in Gegenwart eines oder mehrerer Kohlenwasserstoffgase auf Temperaturen von mehr als oder gleich 600 °C bis weniger als oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 800 °C bis weniger als oder gleich 1100 °C über einen Zeitraum von mehr als oder gleich 30 Minuten bis weniger als oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 2 Stunden bis weniger als oder gleich 6 Stunden erhitzt werden.
3B zeigt ein Beispiel für ein Verfahren 350 zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis mit Siliciumkristalliten in Nanogröße, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 1 ≤ x ≤ 2) gebildete Matrix eingebettet sind, wobei die Siliciumkristallite in einem oder mehreren Bereichen in der Siliciumoxidmatrix angehäuft sind, wie in 2B dargestellt. Elektroaktive Materialien auf Siliciumbasis, die nach dem Verfahren 300 hergestellt werden, können einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % aufweisen. Elektroaktive Materialien auf Siliciumbasis, die nach dem Verfahren 300 hergestellt werden, können einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich 15 % bis weniger als oder gleich 90 % aufweisen.
Das Verfahren 350 umfasst das Erhitzen 370 von Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer reduzierenden Atmosphäre. Beispielsweise können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf Temperaturen von größer oder gleich etwa 600 °C bis kleiner oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 900 °C bis kleiner oder gleich etwa 1100 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich etwa 30 Minuten bis kleiner oder gleich etwa 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich etwa 2 Stunden bis kleiner oder gleich etwa 6 Stunden erhitzt werden, wobei kürzere Zeiträume häufig höhere Temperaturen aufweisen, um ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis zu bilden, das Siliciumkristallite in Nanogröße enthält, die in eine durch Siliciumoxid (SiO_x, wobei 1 ≤ x ≤ 2) gebildete Matrix eingebettet sind, wobei die Siliciumkristallite in einem oder mehreren Bereichen in der Siliciumoxidmatrix angehäuft sind. In bestimmten Variationen können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf Temperaturen von größer oder gleich 600 °C bis kleiner oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 900 °C bis kleiner oder gleich 1100 °C über einen Zeitraum von größer oder gleich 30 Minuten bis kleiner oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 2 Stunden bis kleiner oder gleich 6 Stunden erhitzt werden. In jedem Fall kann die reduzierende Atmosphäre z.B. H₂, CO oder Ähnliches enthalten.
In bestimmten Variationen können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer Rate von mehr als oder gleich etwa 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich etwa 20 °C pro Minute auf Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 900 °C bis weniger als oder gleich etwa 1100 °C erhitzt werden; und nach dem Erreichen der Temperatur können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) bei Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 900 °C bis weniger als oder gleich etwa 1100 °C für einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 6 Stunden gehalten werden.
In bestimmten Variationen können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer Rate von mehr als oder gleich 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich 20 °C pro Minute auf Temperaturen von mehr als oder gleich 600 °C bis weniger als oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 900 °C bis weniger als oder gleich 1100 °C erhitzt werden; und nach dem Erreichen der Temperatur können die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) bei Temperaturen von größer oder gleich 600 °C bis kleiner oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 900 °C bis kleiner oder gleich 1100 °C für einen Zeitraum von größer oder gleich 30 Minuten bis kleiner oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional größer oder gleich 2 Stunden bis kleiner oder gleich 6 Stunden gehalten werden.
In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren 350 die Herstellung 360 von Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen. In bestimmten Variationen kann die Herstellung 360 von Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) die Zerkleinerung von Vorläufern der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfassen, beispielsweise durch Kugelmahlverfahren. Die Vorläufer der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von etwa 5 µm haben. Die Vorläufer der Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von 5 µm haben. Die hergestellten Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweisen. Die hergestellten Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) können eine durchschnittliche Teilchengröße von größer oder gleich 1 µm bis kleiner oder gleich 3 µm aufweisen. Die geringere Teilchengröße führt häufig zu einer geringeren mechanischen und chemischen Zersetzung und damit zu einer längeren Lebensdauer.
In verschiedenen Aspekten kann das Verfahren 350 ferner das Erhitzen 380 des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis in Gegenwart eines oder mehrerer Kohlenwasserstoffgase, wie CH₄, C₂H₂, C₃H₆ und dergleichen, umfassen. Beispielsweise kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis auf Temperaturen von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 800 °C bis weniger als oder gleich etwa 1100 °C über einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder etwa gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich etwa 2 Stunden bis weniger als oder gleich etwa 6 Stunden erhitzt werden, wobei kürzere Zeiträume oft höhere Temperaturen aufweisen, um eine im Wesentlichen kontinuierliche Kohlenstoffbeschichtung auf freiliegenden Oberflächen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zu erzeugen. In bestimmten Variationen kann das elektroaktive Material auf Siliciumbasis in Gegenwart eines oder mehrerer Kohlenwasserstoffgase auf Temperaturen von mehr als oder gleich 600 °C bis weniger als oder gleich 1200 °C und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 800 °C bis weniger als oder gleich 1100 °C über einen Zeitraum von mehr als oder gleich 30 Minuten bis weniger als oder gleich 10 Stunden und in bestimmten Aspekten optional mehr als oder gleich 2 Stunden bis weniger als oder gleich 6 Stunden erhitzt werden.
Bestimmte Merkmale der aktuellen Technologie werden im folgenden nicht einschränkenden Beispiel näher erläutert.
Beispiel
Eine beispielhafte Zelle kann gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt werden. In bestimmten Variationen können beispielsweise Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 5 µm kugelgemahlen werden, um Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 1 µm herzustellen. Die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 1 µm können in einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, etwa 5 Stunden lang bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von etwa 800 °C bis etwa 1.100 °C wärmebehandelt werden. Während des Erhitzungsprozesses werden die Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) durch Disproportionierungsreaktionen in ein elektroaktives Material auf Siliciumbasis umgewandelt, das eine Siliciumoxidmatrix (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit darin eingebettetem nanokristallinem Silicium enthält.
In jedem Fall kann die Siliciumoxidmatrix (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit nanokristallinem Silicium als negatives elektroaktives Material verwendet werden. Beispielsweise kann ein erstes beispielhaftes elektroaktives Material 430 auf Siliciumbasis auf etwa 800 °C, ein zweites beispielhaftes elektroaktives Material 432 auf Siliciumbasis auf etwa 900 °C, ein drittes beispielhaftes elektroaktives Material 433 auf Siliciumbasis auf etwa 1.000 °C und ein viertes beispielhaftes elektroaktives Material 434 auf Siliciumbasis auf etwa 1.100 °C erhitzt werden. Die beispielhaften wärmebehandelten elektroaktiven Materialien 430, 432, 433, 434 auf Siliciumbasis können mit einem beispielhaften negativen elektroaktiven Material 420, das Silicium enthält, und einem beispielhaften negativen elektroaktiven Material 422, das unbehandelte Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 1 µm enthält, verglichen werden.
In jedem Fall kann das beispielhafte elektroaktive Siliciummaterial 420, 422, 430, 432, 433, 434 verwendet werden, um negative Elektroden zu bilden. So kann in jedem Fall eine Aufschlämmung hergestellt werden, die z.B. mit einem Rakel auf einen Stromkollektor, z.B. eine Kupferfolie mit einer Dicke von etwa 25 µm, aufgetragen wird. Jede Aufschlämmung kann auch ein elektronisch leitendes Material (z.B. Ruß) und/oder ein Bindemittel enthalten. Die beispielhaften Aufschlämmungen können zum Beispiel etwa 70 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, etwa 15 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials und etwa 15 Gew.-% des Bindemittels enthalten. Die beispielhaften Aufschlämmungen können 70 Gew.-% des negativen elektroaktiven Materials, 15 Gew.-% des elektronisch leitenden Materials und 15 Gew.-% des Bindemittels enthalten. Nach dem Auftragen auf die beispielhaften Stromkollektoren können die Aufschlämmungen etwa eine Stunde lang bei Raumtemperatur an der Luft getrocknet werden, z.B. in einer Abzugshaube. In bestimmten Variationen können die Aufschlämmungen in einem Vakuum bei einer Temperatur von etwa 75 °C für mehr als oder gleich etwa 8 Stunden und in bestimmten Aspekten optional für mehr als oder gleich etwa 12 Stunden weiter getrocknet werden, um alle verbleibenden Lösungsmittel vollständig zu verdampfen.
Die beispielhaften negativen Elektroden wurden jeweils in separate Knopfzellen eingebaut, die einen beispielhaften Elektrolyten enthalten. Der Elektrolyt enthält z.B. 1 M LiPF₆ in Ethylencarbonat und Ethylmethylcarbonat (Volumenverhältnis 3:7). Galvanostatische Entlade-/Ladetests wurden an den beispielhaften Zellen in einem Spannungsfenster von größer als oder gleich etwa 0,05 V bis kleiner oder gleich etwa 1,5 V (gegen Li⁺/Li) durchgeführt. Wie in 4 dargestellt, weisen die beispielhaften wärmebehandelten elektroaktiven Materialien 430, 432, 433, 434 auf Siliciumbasis im Vergleich zu dem beispielhaften negativen elektroaktiven Material 420 mit Silicium und dem beispielhaften negativen elektroaktiven Material 422 mit unbehandelten Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 1 µm eine höhere Effizienz im ersten Zyklus und eine bessere Langzeitstabilität auf. Die x-Achse 400 repräsentiert die Zyklenanzahl. Die y-Achse 402 repräsentiert die Kapazität (mAh · g^-1).
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben werden. Dieselbe kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Variationen sind nicht als außerhalb der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Änderungen sollen in den Schutzbereich der Offenbarung einbezogen werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zur Verwendung in einer elektrochemischen Zelle, wobei das Verfahren umfasst: Erhitzen eines Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf eine Temperatur von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C über einen Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden, um das elektroaktive Material auf Siliciumbasis zu bilden, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis eine Siliciumoxidmatrix und eine Vielzahl von darin eingebetteten Siliciumkristalliten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer inerten Atmosphäre erfolgt und die Siliciumkristallite in der ganzen Siliciumoxidmatrix verteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 75 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) in einer reduzierenden Umgebung erfolgt und die Siliciumkristallite in einem oder mehreren Bereichen in der Siliciumoxidmatrix angehäuft werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis einen Anteil von Silicium zu Siliciumoxid (Si/SiO_x) von mehr als oder gleich etwa 15 % bis weniger als oder gleich etwa 90 % aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhitzen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) auf die Temperatur mit einer Rate von mehr als oder gleich etwa 10 °C pro Minute bis weniger als oder gleich etwa 20 °C pro Minute durchgeführt wird und bei der Temperatur für mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur eine erste Temperatur und der Zeitraum ein erster Zeitraum ist, wobei das Verfahren ferner umfasst: Erhitzen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis auf eine zweite Temperatur von mehr als oder gleich etwa 600 °C bis weniger als oder gleich etwa 1200 °C über einen zweiten Zeitraum von mehr als oder gleich etwa 30 Minuten bis weniger als oder gleich etwa 10 Stunden in einer Umgebung, die einen oder mehrere Kohlenwasserstoffe enthält, um eine oder mehrere im Wesentlichen kontinuierliche Kohlenstoffbeschichtungen auf freiliegenden Oberflächen des elektroaktiven Materials auf Siliciumbasis zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Herstellen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) vor dem Erhitzen, wobei das Herstellen des Siliciumoxidteilchens (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) das Kugelmahlen eines Vorläufers von Siliciumoxid (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) umfasst und das Siliciumoxidteilchen (SiO_x, wobei 0,1 ≤ x ≤ 2) eine Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 1 µm bis weniger als oder gleich etwa 3 µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das elektroaktive Material auf Siliciumbasis eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 500 nm bis weniger als oder gleich etwa 10 µm hat und die Siliciumkristallite eine durchschnittliche Teilchengröße von mehr als oder gleich etwa 5 nm bis weniger als oder gleich etwa 100 nm haben.