DE112017007332T5 - Binder- und anodenzusammensetzung, verfahren zu deren herstellung und eine die anodenzusammensetzung enthaltende lithiumionen-batterie - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien und deren Herstellungsverfahren, wobei die Binderzusammensetzung einen Carboxyl-haltigen Binder und einen Silan-Haftvermittler enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Anodenzusammensetzung und deren Herstellungsverfahren, wobei die Anodenzusammensetzung ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial und die Binderzusammensetzung enthält. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine die Anodenzusammensetzung enthaltende Anode und eine die Anode enthaltende Lithiumionen-Batterie.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien und deren Herstellungsverfahren, wobei die Binderzusammensetzung einen Carboxyl-haltigen Binder und einen Silan-Haftvermittler enthält. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Anodenzusammensetzung und deren Herstellungsverfahren, wobei die Anodenzusammensetzung ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial und die Binderzusammensetzung enthält. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine die Anodenzusammensetzung enthaltende Anode und auf eine die Anode enthaltende Lithiumion-Batterie.
- Allgemeiner Stand der Technik
- Silicium ist ein vielversprechender Kandidat für ein Anodenmaterial aufgrund seiner hohen theoretischen spezifischen Kapazität von 4200 mAh/g für Li4.4Si. Jedoch ist die zyklische Leistung einer Silicium-Basisanode immer noch nicht zufrieden stellend für die industrielle Anwendung. Eine der größten Herausforderungen ist das Binderversagen aufgrund einer sich wiederholenden Volumenveränderung von Silicium. Deshalb spielt das Bindernetzwerk eine Schlüsselrolle für die Erreichung einer guten zyklischen Leistung. Unter allen Arten von Bindern gilt Polyacrylsäure (PAA) als ein fortschrittlicher Binder für Si-basierte Anoden im Vergleich mit Polyvinylidenfluorid (PVDF), Natriumcarboxymethylcellulose (CMC), die mehr für herkömmliche Anoden, wie Graphit-basierte Anoden, verwendet werden. Zusätzlich zum geringen Quell-vermögen in Carbonaten und der guten Elastizität kann PAA sowohl in Wasser als auch in einer Vielzahl von organischen Lösungsmitteln, wie Ethanol, gelöst werden. Und sie bietet auch eine viel höhere Konzentration von Carboxylgruppen, die reichlich Wasserstoff[brücken]bindungen mit Silanolgruppen auf der Siliciumoberfläche bilden können.
- Trotz der Vorteile von PAA gibt es immer noch zwei Probleme für PAA-Binder: 1) als nicht-chemische Bindung sind Wasserstoff[brücken]bindungen, die zwischen PAA-Binder und aktivem Siliciummaterial gebildet werden, nicht stark genug. Nach einer wiederholten Volumenveänderung kann die Verbindung zwischen PAA-Binder und aktiven Si-Materialien leicht verlorengehen. 2) PAA ist ein lineares Polymer; deshalb ist das durch PAA gebildete Bindungsnetzwerk nicht stark genug, um die Elektrodenintegrität während langer Zyklen beizubehalten.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines von einem reinen PAA-Binder verschiedenen vernetzten PAA-basierten Binders, wobei ein 3D-Bindungsnetzwerk durch kovalente Bindungen gebildet wird. Das verbesserte Bindungsnetzwerk ist für eine lange Zyklusleistung vorteilhaft.
- Das Ziel kann, gemäß einem Aspekt, durch eine Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien erreicht werden, welche Folgendes enthält:
- a) einen Carboxyl-haltigen Binder; und
- b) einen Silan-Haftvermittler, hergestellt durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1):
Y-(CH2)n-Si-X3 (1), - Y
- eine nicht-hydrolysierbare ethylenisch ungesättigte Gruppe, wie Acryloxy-, Methacryloxy-, Vinyl- und Propenylgruppe, repräsentiert,
- X
- identisch oder unterschiedlich sein kann und jedes davon unabhängig eine Hydroxylgruppe oder eine hydrolysierbare Gruppe repräsentiert, gewählt aus der aus Halogenatomen, Alkoxygruppen, Ethergruppen und Siloxygruppen, vorzugsweise Alkoxygruppe mit 1 - 3 Kohlenstoffatomen, bestehenden Gruppe,
- n
- eine Ganzzahl von 0 - 6, vorzugsweise 0 - 3, repräsentiert.
- Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anodenzusammensetzung bereitgestellt, welche ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial und die Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
- Das Ziel kann, gemäß einem anderen Aspekt, durch ein Verfahren zur Herstellung einer Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien erreicht werden, welches die folgenden Schritte einschließt:
- 1) Herstellen eines Silan-Haftvermittlers durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1):
Y-(CH2)n-Si-X3 (1), - Y
- eine nicht-hydrolysierbare ethylenisch ungesättigte Gruppe, wie Acryloxy-, Methacryloxy-, Vinyl- und Propenylgruppe, repräsentiert,
- X
- identisch oder unterschiedlich sein kann und jedes davon unabhängig eine Hydroxylgruppe oder eine hydrolysierbare Gruppe repräsentiert, gewählt aus der aus Halogenatomen, Alkoxygruppen, Ethergruppen und Siloxygruppen, vorzugsweise Alkoxygruppe mit 1 - 3 Kohlenstoffatomen, bestehenden Gruppe,
- n
- eine Ganzzahl von 0 - 6, vorzugsweise 0 - 3, repräsentiert.
- 2) Mischen des Silan-Haftvermittlers mit einem Carboxyl-haltigen Binder zum Erhalt der Binderzusammensetzung.
- Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung einer Anodenzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien bereitgestellt, wobei ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial mit der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung gemischt wird.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anode für Lithiumionen-Batterien bereitgestellt, die die Anodenzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lithiumionen-Batterie bereitgestellt, die die Anode gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
- Figurenliste
- Jeder Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ausführlicher in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht, wobei die:
-
1 eine schematische chemische Struktur der PKH550-PAA-Si-basierten Anodenzusammensetzung von Beispiel 1 (E1) und Beispiel 2 (E2) zeigt und n = 0, 1 oder 2; -
2 die Zyklusleistungen der Anodenzusammensetzungen mit PAA (CE), PAA + 5% PKH570 (E1), PAA + 10% PKH570 (E2) zeigt. - Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
- Alle hierin erwähnten Publikationen, Patentanmeldungen, Patente und anderen Referenzen sind, sofern nichts anderes angegeben ist, explizit durch die Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke, so als wären sie vollumfänglich dargestellt, inbegriffen.
- Sofern nicht anderweitig definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung wie üblicherweise von einem Fachmann mit den gängigen Kenntnissen auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden. Im Konfliktfall gilt die vorliegende Patentschrift, inklusive der Definitionen.
- Wenn eine Menge, Konzentration oder ein anderer Wert oder Parameter entweder als ein Bereich, ein bevorzugter Bereich oder eine Auflistung von oberen bevorzugten Werten und unteren bevorzugten Werten angegeben ist, versteht sich dies als eine spezifische Offenbarung von allen Bereichen, die aus einem beliebigen Paar einer beliebigen Grenze für einen oberen Wert oder bevorzugten Wert und einer beliebigen Grenze für einen unteren Wert oder bevorzugten Wert gebildet werden, unabhängig davon, ob Bereiche separat offenbart werden. Wo ein Bereich von Zahlenwerten hierin angeführt wird, soll der Bereich, sofern nicht anders angegeben, die Endpunkte davon und alle Ganzzahlen und Fraktionen innerhalb des Bereichs einschließen.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich, gemäß einem Aspekt, auf eine Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien, welche Folgendes enthält:
- a) einen Carboxyl-haltigen Binder; und
- b) einen Silan-Haftvermittler, hergestellt durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1):
Y-(CH2)n-Si-X3 (1), - Y
- eine nicht-hydrolysierbare ethylenisch ungesättigte Gruppe, wie Acryloxy-, Methacryloxy-, Vinyl- und Propenylgruppe, repräsentiert,
- X
- identisch oder unterschiedlich sein kann und jedes davon unabhängig eine Hydroxylgruppe oder eine hydrolysierbare Gruppe repräsentiert, gewählt aus der aus Halogenatomen, Alkoxygruppen, Ethergruppen und Siloxygruppen, vorzugsweise Alkoxygruppe mit 1 - 3 Kohlenstoffatomen, bestehenden Gruppe,
- n
- eine Ganzzahl von 0 - 6, vorzugsweise 0 - 3, repräsentiert.
- In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Carboxyl-haltige Binder aus der aus Polyacrylsäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure und Polysaccharid, zum Beispiel Oxystärke, Carrageenan und Xanthangummi, bestehenden Gruppe gewählt.
- In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Monomer aus der aus Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltri(
2 -methoxyethoxy)silan und y-Methacryloxypropyltrimethoxysilan bestehenden Gruppe gewählt sein. So sind die entsprechenden Silan-Haftvermittler, die durch freiradikalische Polymerisation aus diesen Monomeren hergestellt werden, Polyvinyltrimethoxysilan, Polyvinyltriethoxysilan, Polyvinyltri(2 -methoxyethoxy)silan bzw. Poly(γ-methacryloxy-propyltrimethoxysilan). - Zum Beispiel kann Poly(γ-methacryloxypropyltrimethoxysilan) (PKH570) durch freiradikalische Polymerisation aus γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (KH570) in Tetrahydrofuran (THF) bei einer erhöhten Temperatur, zum Beispiel bei etwa 60°C für 24 Stunden, synthetisiert werden:
- In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Molekulargewicht Mw des Silan-Haftvermittlers
50000 -200000 , vorzugsweise 80 000 - 150 000, betragen. - In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Gehalt des Silan-Haftvermittlers
1 - 20%, vorzugsweise 2 - 10%, stärker bevorzugt 3 - 8%, bezogen auf das Gewicht des Carboxyl-haltigen Binders, betragen. - In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Carboxyl-haltige Binder mit dem Silan-Haftvermittler unter Bildung eines 3D-Bindungsnetzwerks vernetzt werden. Darüber hinaus kann die Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung auch starke und flexible Si-O-Si-Bindungen mit Si-Teilchen bilden, was eine hohe mechanische Festigkeit der Adhäsion auf Si zeigt. Diese Binderzusammensetzung kann sich auf die riesige Volumenveränderung von Silicium-Anoden während der Lithiierung/Delithiierung mit einer besseren Zyklusstabilität und höheren coulombschen Effizienz als der reine PAA-Binder wirksam einstellen, selbst bei einer hohen Stromdichte und einer hohen Abdeckung (
3 mAh/cm2). Angesichts der Einfachheit in der Verwendung dieses PAA-modifizierten Polymerbinders nimmt man an, dass dieser neue Binder ein großes Potential hat, um mit Silicium-Anoden von hoher Kapazität in Li-lonen-Batterien der nächsten Generation kommerzialisiert zu werden. - Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einem weiteren Aspekt auf eine Anodenzusammensetzung, die ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial und 2 - 25%, bevorzugter Weise
5 - 15%, der Binderzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenzusammensetzung, enthält. Das hier verwendete Silicium-basierte aktive Elektrodenmaterial unterliegt keiner speziellen Beschränkung. Zum Beispiel können Siliciumnanoteilchen verwendet werden. - In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Anodenzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Anodenzusammensetzung optional ein oder mehr Kohlenstoffmaterialien enthalten, die aus der aus Ruß, Super P, Acetylenruß, Ketjenruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und unter Dampf gezüchteten Kohlefasern bestehenden Gruppe gewählt sind. Der Gehalt der Kohlenstoffmaterialien kann 0 bis 85% betragen, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenzusammensetzung. In diesem Fall können andere Binder zusätzlich zu den oben genannten Carboxyl-haltigen Bindern ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), Celluloseacetat, Gelatin, Chitosan, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR).
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich, gemäß einem anderen Aspekt, auf ein Verfahren für die Herstellung einer Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien, welches die folgenden Schritte einschließt:
- 1) Herstellen eines Silan-Haftvermittlers durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1):
Y-(CH2)n-Si-X3 (1), - Y
- eine nicht-hydrolysierbare ethylenisch ungesättigte Gruppe, wie Acryloxy-, Methacryloxy-, Vinyl- und Propenylgruppe, repräsentiert,
- X
- identisch oder unterschiedlich sein kann und jedes davon unabhängig eine Hydroxylgruppe oder eine hydrolysierbare Gruppe repräsentiert, gewählt aus der aus Halogenatomen, Alkoxygruppen, Ethergruppen und Siloxygruppen, vorzugsweise Alkoxygruppe mit 1 - 3 Kohlenstoffatomen, bestehenden Gruppe,
- n
- eine Ganzzahl von 0 - 6, vorzugsweise 0 - 3, repräsentiert.
- 2) Mischen des Silan-Haftvermittlers mit einem Carboxyl-haltigen Binder zum Erhalt der Binderzusammensetzung.
- Herstellen eines Silan-Haftvermittlers
- Ein Silan-Haftvermittler kann durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1) hergestellt werden.
- In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Monomer aus der aus Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltri(2-methoxyethoxy)silan und y-Methacryloxypropyl trimethoxysilan bestehenden Gruppe gewählt werden. Somit sind die entsprechenden Silan-Haftvermittler, die durch freiradikalische Polymerisation aus diesen Monomeren hergestellt werden, Polyvinyltrimethoxysilan, Polyvinyltriethoxysilan, Polyvinyltri(2-methoxyethoxy)silan bzw. Poly(γ-methacryloxy-propyltrimethoxysilan).
- Zum Beispiel kann Poly(γ-methacryloxypropyltrimethoxysilan) (PKH570) durch freiradikalische Polymerisation von γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (KH570) in Tetrahydrofuran (THF) bei einer erhöhten Temperatur, zum Beispiel bei etwa 60°C für 24 Stunden, synthetisiert werden:
- In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Molekulargewicht Mw des Silan-Haftvermittlers 50 000 - 200 000, vorzugsweise 80 000 - 150 000, betragen.
- In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Silan-Haftvermittler in einer Menge von 1 - 20%, vorzugsweise 2 - 10%, stärker bevorzugt 3 - 8%, bezogen auf das Gewicht des Carboxyl-haltigen Binders, verwendet werden.
- Mischen des Silan-Haftvermittlers mit einem Carboxyl-haltigen Binder
- Die Silan-Haftvermittler kann mit einem Carboxyl-haltigen Binder zum Erhalt der Binderzusammensetzung gemischt werden.
- In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann der der Carboxyl-haltige Binder aus der aus Polyacrylsäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure und Polysaccharid, zum Beispiel Oxystärke, Carrageenan und Xanthangummi, bestehenden Gruppe gewählt werden.
- In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Carboxyl-haltige Binder mit dem Silan-Haftvermittler vernetzt werden zur Bildung eines 3D-Bindungsnetzwerks.
- Die vorliegende Erfindung gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren für die Herstellung einer Anodenzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien, wobei ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial mit 2 - 25%, bevorzugter Weise 5 - 15%, der Binderzusammensetzung, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, gemischt sein kann, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenzusammensetzung. Das Silicium-basierte aktive Elektrodenmaterial, das hier verwendet wird, unterliegt keiner speziellen Beschränkung. Zum Beispiel können Silicium-Nanoteilchen verwendet werden.
- In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung können ein oder mehr Kohlenstoffmaterialien, die aus der aus Ruß, Super P, Acetylenruß, Ketjenruß, Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und unter Dampf gezüchteten Kohlefasern bestehenden Gruppe gewählt sind, optional in die Anodenzusammensetzung eingemischt werden. Die Kohlenstoffmaterialien können in einer Menge von 0 bis 85%, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenzusammensetzung, verwendet werden. In diesem Fall können andere Binder zusätzlich zu den oben genannten Carboxyl-haltigen Bindern ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), Celluloseacetat, Gelatine, Chitosan, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR).
- Die vorliegende Erfindung gemäß einem anderen Aspekt bezieht sich auf eine Anode für Lithiumionen-Batterien, die die Anodenzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
- Die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich auf eine Lithiumionen-Batterie, die die Anode gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
- Beispiel 1 (E1):
- Ein Silan-Haftvermittler Poly(γ-methacryloxypropyltrimethoxysilan) (PKH570) wurde durch freiradikalische Polymerisation von γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan (KH570) in Tetrahydrofuran (THF) bei etwa 60°C für 24 Stunden in einem Glovebox bzw. Manipulationskasten mit Handschuhen (MB-10-Kompakt, MBRAUN) unter einer Argon-Atmosphäre, die weniger als 1 ppm Wasser und O2 enthielt, synthetisiert, wobei die freiradikalische Polymerisation durch Azobisisobutyronitril (AIBN) initiiert wurde.
- Eine Carboxyl-haltige Binder-Polyacrylsäure (PAA) wurde in situ durch Mischen des Silan-Haftvermittlers (PKH570) mit PAA in Ethanol bei Raumtemperatur vernetzt zum Erhalt einer Binderzusammensetzung PAA-PKH570, wobei der Silan-Haftvermittler in einer Menge von 5%, bezogen auf das Gewicht des Carboxyl-haltigen Binders, verwendet wurde.
- Zellen-Assemblierung und elektrochemische Evaluierung:
- Die elektrochemische Leistung der so hergestellten Komposite wurde unter Verwendung von zwei Elektrodenzellen vom Knopfzellentyp evaluiert. Die Arbeitselektroden wurden durch Kleben einer Mischung aus aktivem Material (Siliciumpulver 50 nm/Graphit, 7 : 9 auf Gewichtsbasis), leitfähigem Super P-Ruß (40 nm, Timical) und dem Binder in einem Gewichtsverhältnis von 80 : 7 : 13 hergestellt. Nach dem Beschichten der Mischung auf Cu-Folie wurden die Elektroden getrocknet, auf Φ12 mm-Scheiben zugeschnitten, bei 3 MPa gepresst und schließlich bei 60°C in Vakuum für 8 Stunden getrocknet, die Gesamtladung betrug ca. 2,0 mg cm-2. Die CR2016-Knopfzellen wurden in einer Argon-befüllten Glovebox (MB-10 Kompakt, MBraun) unter Verwendung von 1M LiPF6 in Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylencarbonat (EC) gemischtem Lösungsmittel zu 1 : 1 auf Volumenbasis, das 10 Gew.-% Fluorethylencarbonat (FEC) als Elektrolyt, ENTEK ET 20-26 (PE, Dicke: 20 µm) als Separator und Lithiummetall als Gegenelektrode einschloss, montiert. Die Zyklusleistung wurde auf einem LAND-CT 2001A-Batterie-Testsystem (Wuhan, China) bei Raumtemperatur mit konstanten Stromdichten evaluiert. Die Abschalt- bzw. Cut-off-Spannung betrug 0,01 V versus Li+/Li für Entladung (Li-Insertion) und 1,2 V versus Li+/Li für Aufladung (Li-Extraktion). Die spezifische Kapazität wurde auf Basis des Gewichts von Si-Graphit-Kompositen berechnet. Die Zyklusleistung wurde bei einer Rate von 0,3C bei Raumtemperatur bewertet. Die Knopfzelle wurde mit 0,1C für die ersten vier Zyklen und dann mit 0,3C in den nachfolgenden Zyklen entladen.
- Die
1 zeigt eine schematische chemische Struktur der PKH550-PAA-Si-basierten Anodenzusammensetzung von Beispiel 1 (E1). Die2 zeigt die Zyklusleistung der Anodenzusammensetzung mit PAA + 5% PKH570 von Beispiel 1 (E1). - Beispiel 2 (E2):
- Das Beispiel 2 (E2) wurde ähnlich wie Beispiel 1 durchgeführt, außer dass der Silan-Haftvermittler in einer Menge von 10%, bezogen auf das Gewicht des Carboxyl-haltigen Binders, verwendet wurde.
- Die
1 zeigt eine schematische chemische Struktur der PKH550-PAA-Si-basierten Anodenzusammensetzung von Beispiel 2 (E2). Die2 zeigt die Zyklusleistung der Anodenzusammensetzung mit PAA + 10% PKH570 von Beispiel 2 (E2). - Vergleichsbeispiel (CE):
- Das Vergleichsbeispiel (CE) wurde ähnlich wie Beispiel 1 durchgeführt, außer dass unmodifizierte Polyacrylsäure (PAA) als Binder verwendet wurde.
- Die
2 zeigt die Zyklusleistung der Anodenzusammensetzung mit PAA von Vergleichsbeispiel (CE). - Potentielle Anwendungen des aktiven Elektrodenmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf, Lithiumionen-Batterien mit hoher Energiedichte mit einer akzeptablen hohen Leistungsdichte für Energiespeicheranwendungen, wie Elektrowerkzeuge, Photovoltaikzellen und Elektrofahrzeuge.
- Während gewisse Ausführungsformen beschrieben worden sind, haben diese Ausführungsformen lediglich Beispielcharakter und sollen nicht den Umfang der Erfindungen einschränken. Die anhängigen Ansprüche und ihre Entsprechungen sollen alle Modifikationen, Substitutionen und Änderungen umfassen, wie sie dem Anwendungsbereich und Wesen der Erfindung entsprechen würden.
Claims (14)
- Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien, welche Folgendes enthält: a) einen Carboxyl-haltigen Binder; und b) einen Silan-Haftvermittler, hergestellt durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1):
Y-(CH2)n-Si-X3 (1), - Binderzusammensetzung gemäß
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Carboxyl-haltige Binder aus der aus Polyacrylsäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure und Polysaccharid, zum Beispiel Oxystärke, Carrageenan und Xanthangummi, bestehenden Gruppe gewählt ist. - Binderzusammensetzung gemäß
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Monomer aus der aus Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltri(2-methoxyethoxy)silan und γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan bestehenden Gruppe gewählt ist. - Binderzusammensetzung gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Molekulargewicht Mw des Silan-Haftvermittlers 50 000 - 200 000, vorzugsweise 80 000 - 150 000 beträgt. - Binderzusammensetzung gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Silan-Haftvermittlers 1 - 20%, vorzugsweise 2 - 10%, stärker bevorzugt 3 - 8%, bezogen auf das Gewicht des Carboxyl-haltigen Binders, beträgt. - Anodenzusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenzusammensetzung ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial und 2 - 25%, vorzugsweise 5 - 15%, der Binderzusammensetzung gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 1 bis5 enthält, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenzusammensetzung. - Verfahren für die Herstellung einer Binderzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien, welches die folgenden Schritte einschließt: 1) Herstellen eines Silan-Haftvermittlers durch freiradikalische Polymerisation aus dem Monomer der Formel (1):
Y-(CH2)n-Si-X3 (1), - Verfahren gemäß
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der Carboxyl-haltige Binder aus der aus Polyacrylsäure, Carboxymethylcellulose, Alginsäure und Polysaccharid, zum Beispiel Oxystärke, Carrageenan und Xanthangummi, bestehenden Gruppe gewählt ist. - Verfahren gemäß
Anspruch 7 oder8 , dadurch gekennzeichnet, dass das Monomer aus der aus Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriethoxysilan, Vinyltri(2-methoxy- ethoxy)silan und γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan bestehenden Gruppe gewählt ist. - Verfahren gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 7 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass das Molekulargewicht Mw des Silan-Haftvermittlers 50 000 - 200 000, vorzugsweise 80 000 - 150 000, beträgt. - Verfahren gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 7 bis10 , dadurch gekennzeichnet, dass der Silan-Haftvermittler in einer Menge von 1 - 20%, vorzugsweise 2 - 10%, stärker bevorzugt 3 - 8%, bezogen auf das Gewicht des Carboxyl-haltigen Binders, verwendet wird. - Verfahren für die Herstellung einer Anodenzusammensetzung für Lithiumionen-Batterien, wobei ein Silicium-basiertes aktives Elektrodenmaterial mit 2 - 25%, vorzugsweise 5 - 15%, der Binderzusammensetzung gemischt wird, die durch das Verfahren gemäß einem beliebigen der
Ansprüche 7 bis11 hergestellt wird, basierend auf dem Gesamtgewicht der Anodenzusammensetzung. - Anode für Lithiumionen-Batterien, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode die Anodenzusammensetzung gemäß
Anspruch 6 oder die durch das Verfahren gemäßAnspruch 12 hergestellte Anodenzusammensetzung enthält. - Lithiumionen-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die Lithiumionen-Batterie die Anode gemäß
Anspruch 13 enthält.
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