EP3507844A1 - Anodes of lithium ion batteries - Google Patents

Anodes of lithium ion batteries

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EP3507844A1
EP3507844A1 EP16758165.1A EP16758165A EP3507844A1 EP 3507844 A1 EP3507844 A1 EP 3507844A1 EP 16758165 A EP16758165 A EP 16758165A EP 3507844 A1 EP3507844 A1 EP 3507844A1
Authority
EP
European Patent Office
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active material
porous anode
lithium
silicon
anodes
Prior art date
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Pending
Application number
EP16758165.1A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jürgen Pfeiffer
Stefan Haufe
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Wacker Chemie AG
Original Assignee
Wacker Chemie AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/134Electrodes based on metals, Si or alloys
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to anodes of lithium-ion batteries with porous anode coatings.
  • Rechargeable lithium-ion batteries are now the practical electrochemical energy storage devices with the highest gravimetric energy densities of, for example, up to 250 Wh / kg.
  • lithium-ion batteries during removal or storage of electrical energy, lithium ions are transported between the anode, sometimes called the negative electrode, and the cathode of the battery.
  • the electrode material must contain pores in which electrolyte is used as a medium for lithium-ion transport. The amount of electrolyte thus determines the minimum porosity of such batteries.
  • Conventional lithium-ion batteries contain graphitic carbon as electrode active material for storage of lithium ions. Graphite carbon undergoes no significant change in volume during storage or during the removal of lithium ions, so that no additional porosity is required for this purpose.
  • a disadvantage of graphitic carbon is its relatively low electrochemical capacity which, in the case of graphite, is at most 372 mAh per gram, corresponding to only about one tenth of the lithium metal theoretically achievable electrochemical capacity.
  • alternative materials for anodes have long been sought, in particular in the area of lithium-alloyed (semi-) metals, such as silicon, tin or lead, compared to graphite (372 mAh / g) have particularly high material capacities of up to 4200 mAh / g.
  • a major challenge for the use of these materials is their large volume change in the course of storage or removal of lithium, since this increases the volume of, for example, silicon, tin or lead by up to 300%.
  • Such extreme volume changes lead to a strong mechanical stress on the electrode structure, whereby the anode / electrode structure and thus the lithium-ion battery is damaged more and more during the charging and discharging cycles.
  • the electrodes are provided with additional pores, which are intended to absorb the increase in volume of the active material when storing the lithium ions.
  • this strategy inevitably involves the disadvantage that because of the additional pores, the electrodes have a correspondingly reduced material density and thus also a lower volumetric capacity or corresponding cells have a lower energy density. This goes against the goal of increasing the electrochemical capacities of the lithium-ion batteries, which was the starting point for the replacement of graphitic carbon by (semi-) metals with high lithium material capacities, such as silicon, tin or lead.
  • the lithium Ion-storing active material encapsulated in a composite solution in porous composites To solve the problems associated with the high volume expansion of the anode active material, the lithium Ion-storing active material encapsulated in a composite solution in porous composites.
  • the pores of a composite are designed to absorb volume expansion of the lithium-ion-storing active material without changing the volume of a composite particle.
  • the production of such composites is complicated.
  • US2014030599 AA describes a porous silica-based composite as an active material, wherein lithium is dispersed in the composite and the silicon oxide core is coated with carbon.
  • the inherent porosity of the composite material is 5 to 90%.
  • US2015380733 AA describes a porous active material for the negative electrode of a lithium-ion battery based on a core of silicon and a metal silicide and a sheath of porous silicon.
  • the inner porosity of the shell is in the range of 20 to 80%.
  • a carbon layer can be applied to the surface.
  • inherently porous active materials are employed to provide the free volume to buffer the volume expansion of the lithium ion-storing active material.
  • No. 9196896 B describes a silicon-based active material which contains an Si phase, an SiO x phase (0 ⁇ x ⁇ 2) and a SiO 2 phase and which has a porosity of 7-71%.
  • US 2015072240 A describes porous silicon or Si-O x (0 ⁇ x ⁇ 2) with open, non-linear pores in the surface of the particles, wherein the porosity of the particles are in the range of 5 to 90% and by BET measurements or mercury porosimetry can be determined. Porosities of the electrode coatings containing these materials are not mentioned.
  • WO2016 / 092335 describes an electrode for a metal-ion battery which consists of a Abieiter and an active material layer containing porous particles of an electrochemically active material, such as silicon, tin or aluminum, which are 0.5 to 18 m in size and have an internal porosity of 30 to 90%. In addition, there are 2 to 30% in the electrodes Porosity between electrode components (defined by the area fraction of interparticle pores in an EM image from the cross-section of the electrode). However, the electrodes described have only volumetric capacities of less than 600 mAh / cm 3 , so that the desired increase in the
  • the electrode coatings themselves are provided with a porosity.
  • the pores are located between the constituents of the electrode coating, ie between the active material particles and the other electrode constituents.
  • the active material particles themselves are generally largely non-porous.
  • Such anode coatings are thus based on mere blends of active material particles, binders and other customary additives.
  • Such coatings are also referred to as physical mixtures.
  • US 2016006024 A describes negative electrodes based on non-graphitizable carbon-coated silicon-based active material and a non-fluorinated binder, wherein the electrode structure has a porosity of 30 to 80%.
  • 3,039,152 B describes a negative electrode layer consisting of nanoparticles, which can consist of silicon or tin, for example, and which react with lithium in the form of an alloy formation and interpose matrix nanoparticles, such as cobalt oxide, which react with lithium in the form of a conversion reaction which have pores defining a total porosity of between 5 and 80%, preferably between 10 and 50%.
  • US 2015228980 A describes a method for producing an electrode structure having a porosity of 20 to 80%, wherein the silicon-based active material particles are surface-functionalized and the functional groups are reacted with a suitable binder.
  • the size of the silicon particles used is rich from 100 nm to 100 ⁇ , the particles are almost spherical with an aspect ratio of ⁇ 10.
  • US Pat. No. 9012066 BB describes an electrode structure with a pore structure described by mercury porosimetry, wherein the distribution of the pore sizes against the mercury intrusion rate has pore sizes in the range from 30 to 10000 nm one or more maxima.
  • active material silicon particles are used with a size of 0.5 to 20 ⁇ .
  • the total porosity of the anode layer is in the range of 4 to 70%.
  • the binder used is, in particular, crosslinked polyimide by heating, which leads to very low increases in the electrode thickness.
  • the object of the present invention was to provide lithium-ion batteries with active material, such as silicon, tin or lead containing anodes, the highest possible volumetric capacity and after charging and discharging a stable electrochemical behavior with the least possible decrease have the reversible capacity (fading).
  • active material such as silicon, tin or lead containing anodes
  • this object has been achieved by providing the anode of the lithium-ion batteries with a well-defined porosity.
  • An object of the invention are anodes of lithium-ion batteries,
  • anodes comprise porous anode coatings with volumetric capacities of> 800 mAh / cm 3 and current collector and the porous anode coatings on at least one active material (AM) in the form of particles, one or more binders, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive components and optionally one or more additives,
  • A active material
  • the active material-containing particles to at least 90 wt .-%, based on the total weight of the active material-containing particles, made of an element selected from the group consisting of silicon (Si), tin (Sn) and lead (Pb), characterized in that
  • porous anode coatings having a degree of lithiation in the range of 0.20 to 0.50
  • porous anode coating having an active material content of 60 to 85% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity ⁇ in the range of 23 to 72% by volume; or d) porous anode coatings having a degree of lithiation ⁇ of 0.95 to 1.00 and
  • porous anode coating having an active material content of 5 to 30% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity ⁇ in the range of 11 to 61% by volume.
  • the porous anode coatings have a porosity ⁇ in the range of 6 to 61% by volume and preferably 7 to 56% by volume.
  • the porous anode coatings having a degree of lithiation ⁇ from the range of 0.50 to ⁇ 1.00 and having an active material content of 5 to 20 wt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity ⁇ in the range of preferably 6 to 48 vol .-% and particularly preferably 7 to 44 vol .-%.
  • the porous anode coatings having a degree of lithiation ⁇ have a range from 0.50 to ⁇ 1.00 and an active material content of 20 to 30% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity ⁇ in the range of preferably 20 to 61 vol .-% and particularly preferably 23 to 56 vol .-%.
  • the porous anode coatings have a porosity ⁇ in the range of 19 to 71% by volume and preferably 21 to 66% by volume.
  • the porous anode coatings having a degree of lithiation ⁇ have a range of from 0.30 to 0.70 and an active material content of from 30 to 45
  • the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range of 0.30 to 0.70 and an active material content of 45 to 60
  • the porous anode coatings have a porosity ⁇ in the range of 23 to 72 vol .-% and preferably
  • the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range from 0.20 to 0.50 and with an active material content of 60 to 72
  • a porosity ⁇ in the range of preferably 23 to 66 vol .-% and particularly preferably 26 to 61 vol .-%.
  • the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range of 0.20 to 0.50 and with an active material content of 72 to 85
  • the porous anode coatings have a porosity ⁇ in the range of 11 to 61 vol .-%, and preferably 12 to 56 vol. -%.
  • the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range of 0.95 to 1.00 and with an active material content of 5 to 20 wt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity ⁇ in the range of preferably 11 to 48 vol .-% and particularly preferably 12 to 44 vol .-%.
  • the porous anode coatings having a degree of lithiation ⁇ have from the range of 0.95 to 1.00 and with an active material content of 20 to 30
  • a porosity ⁇ in the range of preferably 32 to 61 vol .-% and particularly preferably 36 to 56 vol .-%.
  • the porosity ⁇ of the porous anode coatings can be determined, for example, by means of Hg porosimetry (Porotec, Pascal 140/440) to DIN 66133.
  • Hg porosimetry Porotec, Pascal 140/440
  • a sample of the completely delithiated anode with a base area of 25 ⁇ 350 mm 2 is preferably used.
  • Another object of the invention are anodes of lithium-ion batteries,
  • anodes comprise porous anode coatings with volumetric capacities of 800 mAh / cm 3 and current collector and the porous anode coatings on at least one active material (AM) in the form of particles, one or more Bindinde, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive Components and optionally one or more additives,
  • AM active material
  • active material-containing particles to at least 90 Wt .-%, based on the total weight of the active material-containing particles, of an element selected from the group consisting of silicon (Si), tin (Sn) and lead (Pb) consist, characterized in that
  • the porous anode coatings have a porosity ⁇ which is in the range of 0.9 * ⁇ f> 0p t ⁇ ⁇ ⁇ 1.3 * ⁇ opt, in which ⁇ ⁇ according to the following formula I
  • c AM is the percentage by volume of unlithiated active material in the total volume of the unlithiated porous anode coating
  • Another object of the invention are lithium-ion batteries containing the aforementioned anodes with inventive, porous anode coating.
  • the porosity ⁇ generally assumes values greater than 0 and less than 75.
  • 6 to 72% by volume is preferred, 7 to 66% by volume is particularly preferred, and 26 to 66% by volume is most preferred.
  • the porosity ⁇ is in the range of 0.9 * ⁇ 0 ⁇ ⁇ 1.3 * ⁇ 0pt and preferably 1.0 * ⁇ 0pt ⁇ 1.2 * ⁇ 0 ⁇ .
  • the symbol * in the formula I stands for the mathematical operator of multiplication.
  • the parameter ⁇ represents the volume change of the active material as a result of the transition from the non-lithiated state to the state of complete lithiation.
  • the parameter ⁇ is a material constant and is generally given for 20 ° C and atmospheric pressure.
  • the degree of lithiation ⁇ expresses that the active material of the porous anode coating in the fully charged lithium-ion battery can be completely lithiated or partially lithiated.
  • the active material of the porous anode coating is partially lithiated.
  • unlithiated, delithiated and not lithiated are used interchangeably in the present specification.
  • completely lithiated, fully lithiated and lithiated maximum are used interchangeably in the present specification.
  • Fully charged indicates the state of the lithium-ion battery in which the porous anode coating of the lithium-ion battery has its highest lithium loading.
  • Partial lithiation of the porous anode coating means that the maximum lithium uptake capacity of the active materials in the porous anode coating is not exhausted. In the case of partial lithiation, therefore, the capacity of the active material for lithium is not fully utilized.
  • the maximum lithium absorption capacity of the silicon particles generally corresponds to the formula Li 4 . 4 Si and thus is generally 4.4 lithium atoms per silicon atom. This corresponds to a maximum specific capacity of 4200 mAh per gram of silicon.
  • the maximum lithium uptake capacity generally corresponds to the formula Li 4 . 4 Sn and thus is generally 4.4 lithium atoms per tin atom. This corresponds to a maximum specific capacity of 993 mAh per gram of tin.
  • the maximum lithium uptake capacity generally corresponds to the formula Li 4 , 5 Pb and is thus generally 4.5 lithium matome per lead atom. This corresponds to a maximum specific capacity of 582 mAh per gram of lead.
  • the ratio of the lithium atoms to the active material atoms (AM) in the porous anode coating of a lithium-ion battery can be adjusted, for example, via the electric charge flow.
  • the degree of lithiation of the porous anode coating or of the active material particles contained in the porous anode coating is proportional to the electric charge that has flowed.
  • the capacity of the porous anode coating for lithium is not fully utilized. This results in partial lithiation of the anode.
  • the Li / AM ratio of a lithium-ion battery is set by the cell balancing.
  • the lithium-ion batteries are designed so that the lithium absorption capacity of the anode is preferably greater than the lithium emitting capacity of the cathode.
  • the lithium uptake capability of the anode is not fully utilized, i. that the porous anode coating is only partially lithiated.
  • the Li / AM ratio with partial lithiation of the porous anode coating in the fully charged state of the lithium ion battery is preferably 2,2 2.2, more preferably 1 1.98, and most preferably 1,7 1.76.
  • the Li / AM ratio in the fully charged state porous anode coating of the lithium ion battery is preferably 0.22, more preferably 0.44, and most preferably 0.66.
  • the capacity of the active material of the porous anode coating of the lithium-ion battery is preferably used at ⁇ 50%, more preferably at 45% and most preferably at 40%, based on the maximum capacity per gram of active material. rial.
  • the maximum capacity per gram of silicon is 4200 mAh
  • the maximum capacity per gram of tin is 993 mAh
  • the maximum capacity per gram of lead is 582 mAh.
  • the degree of lithiation ⁇ of the active material can be determined, for example, by the following formula III:
  • ß area-related delithiation capacity of the active material-containing anode at the respective charge end voltage of the lithium-ion battery
  • the lithium-ion battery is transferred to the electrically charged state by applying the constant current (CC) method with a constant current of 5 mA / g (equivalent to C / 25) until reaching the voltage limit of 4, 2V is charged.
  • the anode is lithiated.
  • the electrolyte used is a 1.0 molar solution of lithium hexafluorophosphate in a 3: 7 (v / v) mixture of fluoroethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, which is mixed with 2.0% by weight of vinylene carbonate.
  • the construction of the cell is generally carried out in a glove box ( ⁇ 1 ppm H 2 0 and 0 2 ).
  • the water content of the dry matter of all starting materials is preferably below 20 ppm.
  • the electrochemical measurements on full and half cells are carried out at 20 ° C.
  • the above constant current refers to the weight of the positive electrode coating.
  • the percentage volume fraction of the active material in the total volume of the porous anode coating (p M from formula I can be calculated using the following formula II
  • P AM stands for the true density of the active material.
  • the weight percentage m of the active material in the porous anode coating can be determined by first wet-digesting the porous anode coating and then by percent inductively coupled plasma (ICP) OES, the percent weight fraction Q m , as exemplified below for silicon described:
  • the percent Si weight fraction ⁇ 3 ⁇ is determined by means of ICP-OES (inductively coupled plasma) emission spectrometry (measuring instrument: Optima 7300 DV, Fa, Perkin Elmer; sample introduction system: atomizer Meinhard with cyclone spray chamber; calibration range: 0.1 to 20.0 mg / 1 Si; standard Si stock Certipur from Merck with 1000 mg / 1 Si (certified)).
  • ICP-OES inductively coupled plasma emission spectrometry
  • the true density P A of the active material is a material constant.
  • the pure density p m is generally: 2.3 g / cm 3 for silicon; 5.77 g / cm 3 for tin of the modification); 7.27 g / cm 3 for tin of modification ⁇ ); and 11.34 g / cm3 for lead.
  • the density of the porous anode coating p B can be determined by first determining the weight of the porous anode coating gravimetrically and the thickness of the porous anode coating with the measuring instrument Mitutoyo (1 ⁇ m to 12.7 mm) with precision measuring table. The density of the porous anode coating p B is then obtained by dividing the weight of the porous anode coating by the thickness of the porous anode coating.
  • the stated values for the porosity and also formula I generally relate to electrolyte-free or substantially electrolyte-free porous anode coatings in the delithiated state.
  • the porous anode coatings with silicon as active material have a density (p B ) of preferably 0.92 to 2.31 g / cm 3 and more preferably 0.99 to 2.08 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably
  • the porous anode coatings have Silicon as the active material has a density (p B ) of preferably 0.92 to 1.92 g / cm 3 and particularly preferably 0.99 to 1.73 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably
  • the porous anode coatings with silicon as active material have a density (p B ) of preferably 0.89 to 1.96 g / cm 3 and more preferably 0.97 to 1.77 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably from 0.77 to 1.78 g / cm 3, and more preferably from 0.84 to 1.60 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.77 to 1.84 g / cm 3, and more preferably 0.83 to 1.65 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.77 to 1.75 g / cm 3 and more preferably 0.83 to 1.57 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.92 to 2.18 g / cm 3 , particularly preferably 0.99 to 1.96 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably from 1.08 to 2.18 g / cm 3 , more preferably from 1.17 to 1.96 g / cm 3 .
  • the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.92 to 1.60 g / cm 3 , particularly preferably 0.99 to 1.44 g / cm 3 .
  • the volumetric capacity of the porous anode coatings is accessible by the use of the above-described chen-related delithiation capacity ß divided by the thickness of the porous anode coating.
  • the thickness of the porous anode coating can be determined with the measuring instrument digital gauge Mitutoyo (1 ⁇ im to 12.7 mm) with precision measuring table.
  • the volumetric capacity is preferably 900 mAh / cm 3 , more preferably 1000 1000 mAh / cm 3, and most preferably 11 1100 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 800 to 1986 mAh / cm 3 and more preferably 850 to 1788 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 800 to 1752 mAh / cm 3, and more preferably 850 to 1577 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 928 to 1986 mAh / cm 3, and more preferably 1006 to 1788 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 842 to 2112 mAh / cm 3, and more preferably 912 to 1901 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably from 842 to 1950 mAh / cm 3 and particularly preferably from 912 to 1755 mAh / cm 3.
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 927 to 2112 mAh / cm 3, and more preferably 1004 to 1901 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 806 to 2018 mAh / cm 3, and more preferably 873 to 1817 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 806 to 1933 mAh / cm 3, and more preferably 873 to 1740 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 834 to 2018 mAh / cm 3, and more preferably 904 to 1817 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 805 to 1986 mAh / cm 3, and more preferably 872 to 1788 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 805 to 1752 mAh / cm 3, and more preferably 872 to 1577 mAh / cm 3 .
  • the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 1189 to 1986 mAh / cm 3, and more preferably 1288 to 1788 mAh / cm 3 .
  • the active material-containing particles are preferably at least 95 wt .-% and particularly preferably at least 97 wt .-%, based on the total weight of the active material-containing particles, of an element selected from the group comprising silicon (Si), tin (Sn) and Lead (Pb). Most preferably, the active material-containing particles consist exclusively of active material.
  • the active material-containing particles are preferably not porous composites.
  • active materials are usually incorporated into a matrix.
  • the matrix can be based on carbon, for example.
  • the matrix generally contains pores intended to at least partially accommodate the volume changes of the active material upon incorporation of lithium.
  • the matrix may additionally be coated, for example with carbon or polymers.
  • Preferred active material is silicon.
  • the anode coatings preferably contain silicon particles.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles is preferably between the diameter percentiles of ⁇ 0.2 pm and d 90 20 20.0 pm, more preferably between 0 0 0,2 0.2 pm and d 90 10 10.0 pm, and most preferably between di 0 ⁇ 0.2 pm to d 90 ⁇ 5.0 pm.
  • the silicon particles have a volume weighted particle size distribution with diameter percentiles preferably ⁇ 10 pm, more preferably> 5 pm, even more preferably> 3 pm and most preferably ⁇ 1 pm.
  • the silicon particles have a volume-weighted particle size distribution with diameter percentiles d 90 of preferably.
  • the aforementioned d 90 - ert is preferably 5 pm.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles has a width d 90 -di 0 of preferably -S 15.0 pm, more preferably ⁇ 12.0 pm, even more preferably ⁇ 10.0 pm, more preferably ⁇ 8.0 pm and am most preferably ⁇ 4.0 pm.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles has a width d 90 -di 0 of preferably 0,6 0.6 ⁇ m, more preferably 0,8 0.8 ⁇ m, and most preferably 1,0 1.0 ⁇ m.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles has diameter percentiles d 50 of preferably 0.5 to 10.0 ⁇ m, more preferably 0.6 to 7.0 ⁇ m, even more preferably 2.0 to 6.0 ⁇ m, and most preferably 0.7 to 3.0 pm.
  • Twice to five times, in particular two to three times the aforementioned d 50 values is preferably smaller than the layer thickness of the anode coating.
  • the layer thickness of the anode coating is given below. This proviso is helpful in virtually eliminating oversize grain.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles can be determined by static laser scattering using the Mie model with the Horiba LA 950 measuring instrument with ethanol as the dispersing medium for the silicon particles.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles is preferably monomodal.
  • the volume-weighted particle size distribution of the silicon particles is generally narrow, as can be seen from the d 10 or d 90 values and d 90 -d 10 values.
  • the silicon particles are preferably not aggregated, particularly preferably not agglomerated and / or not nanostructured.
  • Aggregated means that spherical or largely spherical primary particles, such as those initially formed in gas phase processes during the production of the silicon particles, grow together in the further course of the gas phase process to form aggregates. These aggregates can form agglomerates in the further course of the reaction. Agglomerates are a loose aggregate of aggregates. Agglomerates can be easily split again into the aggregates using typically used kneading and dispersing processes. Aggregates can not be decomposed with these methods or only to a small extent into the primary particles.
  • Non-nanostructured silicon particles generally have characteristic BET surfaces.
  • the BET surface areas of the silicon particles are preferably 0.01 to 30.0 m 2 / g, more preferably 0.1 to 25.0 m 2 / g, particularly preferably 0.2 to 20.0 m 2 / g and most preferably 0.2 to 18.0 m 2 / g.
  • the BET surface area is determined according to DIN 66131 (with nitrogen).
  • the silicon particles have a sphericity of preferably 0.3 ⁇ 0.9, more preferably 0.5 ⁇ 0.85 and most commonly preferably 0.65 ⁇ ⁇ 0.85. Silicon particles having such sphericities become accessible in particular by production by means of milling processes.
  • the sphericity ⁇ is the ratio of the surface of a sphere of equal volume to the actual surface of a body (definition of adell). Sphericities can be determined, for example, from conventional REM images.
  • the silicon particles may consist of elemental silicon, a silicon oxide or a binary, ternary or multinary silicon / metal alloy (with, for example, Li, Na, K, Sn, Ca, Co, Ni, Cu, Cr, Ti, Al, Fe) exist. Preference is given to using elemental silicon, in particular since this has an advantageously high storage capacity for lithium ions.
  • under elemental silicon is highly pure polysilicon, with a low proportion of impurities (such as B, P, As), specifically doped with impurity silicon (such as B, P, As), but also metallurgical silicon, which elemental contamination (such as Fe, Al, Ca, Cu, Zr, C).
  • impurities such as B, P, As
  • impurity silicon such as B, P, As
  • metallurgical silicon which elemental contamination (such as Fe, Al, Ca, Cu, Zr, C).
  • the stoichiometry of the oxide SiO x is preferably in the range 0 ⁇ x ⁇ 1.3. If the silicon particles contain a silicon oxide with a higher stoichiometry, then its layer thickness on the surface is preferably less than 10 nm.
  • the surface of the silicon particles may optionally be covered by an oxide layer or by other inorganic and organic groups.
  • Particularly preferred silicon particles carry on the surface Si-OH or Si-H groups or covalently attached organic groups, such as alkoxy or alkyl groups.
  • the organic groups can be used, for example, to control the surface tension of the silicon particles and, in particular, to control the solvents or binders. be adjusted if necessary, which are used in the production of anode coatings.
  • the proportion of active material, in particular the silicon content, in a porous anode coating is preferably between 40% by weight and 95% by weight, more preferably between 50% by weight and 90% by weight and most preferably between 60% by weight. and 85% by weight based on the total weight of the porous anode coating.
  • the silicon particles can be produced, for example, by milling processes.
  • silicon particles having the preferred properties are obtainable, for example with advantageous sphericity, such as fracture surfaces which are advantageous in the application, in particular sharp-edged fracture surfaces, or, for example, splinter-shaped silicon particles.
  • the particle size distributions of the silicon particles which are essential to the invention and non-aggregated silicon particles are also very easily accessible by milling processes.
  • milling processes for example, dry or wet grinding processes come into consideration.
  • jet mills such as counter-jet or impact mills, or stirred ball mills are used.
  • the grinding in the jet mill is preferably carried out with nitrogen or noble gases, preferably argon, as the grinding gas.
  • the jet mills preferably have an integrated air classifier, which may be static or dynamic, or they are operated in the circuit with an external air classifier.
  • one or more organic or inorganic liquids or liquid mixtures may be used.
  • such liquids or liquid mixtures at room temperature have a viscosity of preferably below 100 mPas and in particular ders preferred below 10 mPas.
  • the liquids or liquid mixtures are inert or slightly reactive towards silicon.
  • the liquid is particularly preferably organic and contains less than 5% by weight of water, more preferably less than 1% by weight of water.
  • organic liquids hydrocarbons, esters or, in particular, alcohols are preferred.
  • the alcohols preferably contain 1 to 7 and more preferably 2 to 5 carbon atoms. Examples of alcohols are methanol, ethanol, propanol and butanol.
  • Hydrocarbons preferably contain 5 to 10 and more preferably 6 to 8 carbon atoms. Hydrocarbons may be, for example, aliphatic or aromatic. Examples of hydrocarbons are toluene and heptane. Esters are generally esters of carboxylic acids and alkyl alcohols, such as ethyl acetate.
  • the porous anode coatings are preferably based on a mixture comprising at least one active material in the form of particles, in particular silicon particles, one or more binders, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive components and optionally one or more additives.
  • the further electrically conductive components in the porous anode coatings can reduce the contact resistances within a porous anode coating and between porous anode coating and current collector, which improves the current-carrying capacity of the lithium-ion battery.
  • Preferred further electrically conductive components are conductive black, Carbon nanotube or metallic particles, for example copper.
  • a porous anode coating preferably contains 0 to 40 wt%, more preferably 0 to 30 wt%, and most preferably 0 to 20 wt% of one or more other electrically conductive components, based on the total weight of the porous anode coating.
  • Preferred binders are polyacrylic acid or its alkali metal salts, in particular lithium or sodium salts, polyvinyl alcohols, cellulose or cellulose derivatives, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyolefins, polyimides, in particular polyamido-imides, or thermoplastic elastomers, in particular ethylene-propylene-diene Terpolymers.
  • polyacrylic acid polymethacrylic acid or cellulose derivatives, in particular carboxymethylcellulose.
  • alkali especially lithium or sodium salts
  • the alkali salts especially lithium or sodium salts, polyacrylic acid or polymethacrylic acid. It may be present all or preferably a portion of the acid groups of a binder in the form of salts.
  • the binders have a molecular weight of preferably 100,000 to 1,000,000 g / mol. It is also possible to use mixtures of two or more binders.
  • graphite generally natural or synthetic graphite can be used.
  • the graphite particles preferably have a volume-weighted particle size distribution between the diameter percentiles di 0 > 0.2 pm and d 90 ⁇ 200 ⁇ .
  • additives are pore formers, dispersants, leveling agents or dopants, for example elemental lithium.
  • Preferred formulations for the production of porous anode coatings contain preferably 5 to 95% by weight, preferably 60 to 85% by weight, of active material, in particular siliconpar- Tikel; 0 to 40 wt .-%, in particular 0 to 20 wt .-% further electrically conductive components; 0 to 80 wt .-%, in particular 5 to 30 wt .-% graphite; 0 to 25% by weight, in particular 5 to 15% by weight, of binder; and optionally 0 to 80 wt .-%, in particular 0.1 to 5 wt .-% additives; where the data in% by weight relate to the total weight of the formulation and the proportions of all constituents of the formulation add up to 100% by weight.
  • the proportion of graphite particles and further electrically conductive components is at least 10% by weight, based on the total weight of the formulation.
  • the processing of the constituents of the formulation into an anode ink or paste can be carried out, for example, in a solvent such as water, hexane, toluene, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrrolidone, acetone, ethyl acetate, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide or ethanol, or solvent mixtures
  • a solvent such as water, hexane, toluene, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrrolidone, acetone, ethyl acetate, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide or ethanol, or solvent mixtures
  • rotor-stator machines high energy mills, planetary kneaders,
  • the anode ink or paste has a pH of preferably 2 to 7.5 (determined at 20 ° C, for example with the pH meter of WTW pH 3 Oi with probe SenTix RJD).
  • the anode ink or paste may be strung on a copper foil or other current collector.
  • Other coating methods such as e.g. Spin-coating, roller, dip or slot die coating, brushing or spraying can also be used.
  • the coatings thus obtained can be dried at room temperature or preferably at elevated temperature.
  • the drying temperature depends, as usual, on the components used and the solvent used.
  • the drying temperature is preferably between 20 ° C and 300 ° C, more preferably between 50 ° C and 180 ° C.
  • the drying temperature should preferably be lower than the glass transition temperature or the pour point of constituents of the anode coating.
  • the drying may be carried out under reduced pressure or, preferably, at ambient pressure. Common devices can be used, such as belt dryers, suspended dryers, air flow dryers, such as hot gas dryers or hot gas dryers, or IR dryers.
  • the drying can thus be done in a conventional manner. Generally it is dried to constant weight.
  • the coatings thus obtained can be further treated. This may be useful for obtaining the porosity ⁇ according to the invention or for other purposes.
  • the coatings can be compacted.
  • known devices and methods can be used, such as calendering or pressing.
  • the compression can be carried out at room temperature or at elevated temperatures.
  • the selected temperature should preferably be lower than the glass transition temperature or the pour point of constituents of the anode coating.
  • the layer thickness that is to say the dry layer thickness of the porous anode coating, is preferably 2 .mu.m to 500 .mu.m, more preferably from 10 .mu.m to 300 .mu.m.
  • a lithium-ion battery generally comprises a first electrode as a cathode, a second electrode as an anode, a membrane arranged as a separator between the two electrodes, two electrically conductive connections on the electrodes, a housing accommodating said parts and an electrolyte containing lithium ions, with which the separator and the two electrodes are impregnated, wherein a part of the second electrode is the anode according to the invention containing the porous anode coating.
  • Anodes according to the invention can be processed with other conventional materials and materials by known methods into lithium-ion batteries, analogously as described, for example, in WO 2015/117838.
  • lithium-ion batteries with active material such as tin, lead and in particular
  • the lithium-ion batteries according to the invention are thus characterized by advantageous cycle behavior and at the same time by high volumetric energy densities.
  • the silicon powder was prepared according to the prior art by grinding a coarse Si-split from the production of solar silicon in a fluidized-bed jet mill (Netzsch-Condux CGS16 with 90 m 3 / h of nitrogen at 7 bar as milling gas).
  • the dispersion was applied to a 0.030 mm thick copper foil (Schlenk Metallfolien, SE-Cu58) by means of a film drawing frame with 0.10 mm gap height (Erichsen, Model 360).
  • the anode coating thus prepared was then dried for 60 minutes at 80 ° C and 1 bar air pressure.
  • the dried anode coating had an average basis weight of 2.90 mg / cm 2 and a layer thickness of 32 ⁇ .
  • Table 1 Anode coatings of (comparative) Examples 2a, 2b and 2c:
  • Porosity ⁇ range of 31.2 to 45.1%
  • Porosity ⁇ range of 43.6 to 62.9%.
  • the anode 2a is thus according to the invention, while the anodes 2b and 2c are not.
  • Lithium-ion battery with the anode of Example 2a Lithium-ion battery with the anode of Example 2a:
  • the electrolyte used consisted of a 1, 0 molar solution of lithium hexafluorophosphate in a 3: 7 (v / v) mixture of fluoroethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, which was mixed with 2.0 wt .-% vinylene carbonate.
  • the construction of the cell took place in a glove box ( ⁇ 1 ppm H 2 0, 0 2 ), the water content in the dry matter of all components used was below 20 ppm.
  • the electrochemical testing was carried out at 20 ° C.
  • the cell was charged in constant current / constant voltage (cc / cv) mode with a constant current of 5 mA / g (C / 25) in the first cycle and 60 mA / g (C / 2) in the following Cycles and after reaching the voltage limit of 4.2 V with constant voltage to below a current of 1.2 mA / g (corresponds to C / 100) or 15 mA / g (corresponds to C / 8).
  • cc / cv constant current / constant voltage
  • the cell was discharged in the cc (constant current) method with a constant current of 5 mA / g (equivalent to C / 25) in the first cycle and 60 mA / g (equivalent to C / 2) in the subsequent cycles until reaching the voltage limit of 3.0 V.
  • the selected specific current was based on the weight of the positive electrode coating.
  • the lithium ion battery was operated by cell balancing with partial lithiation of the anode.
  • Fig. 1 shows the discharge capacity of a full cell based on the anode coating of Example 2a as a function of the number of cycles.
  • the full cell has a reversible capacity of 2.21 mAh / cm 2 in the first cycle (C / 25).
  • the area-related delithiation capacity ⁇ is 2.46 mAh / cm 2 , the degree of lithiation ⁇ is 28.8%, the volumetric anodization the capacity is 1116 mAh / cra 3 .
  • the area-related delithiation capacity ⁇ , the degree of lithiation ⁇ and the volumetric anode capacity were determined according to the methods given above in the general description.
  • Example 3 had a high volumetric capacity and showed little fading.
  • Lithium-ion battery with the anode of example 2b Lithium-ion battery with the anode of example 2b:
  • Example 2b The anode of Example 2b was tested as described in Example 3.
  • Fig. 2 shows the discharge capacity of a full cell on the basis of the anode coating of Example 2b as a function of Zyk ⁇ leniere.
  • the full cell has in the first cycle (C / 25) has a reversible capacity Capa ⁇ of 2.19 mAh / cm 2.
  • the area-related delithiation capacity ⁇ is 2.43 mAh / cm 2 , the degree of lithiation ⁇ is 28.5%, and the volumetric anode capacity is 759 mAh / cm 3 .
  • Lithium-ion battery with the anode of example 2c Lithium-ion battery with the anode of example 2c:
  • Example 2c The anode of Example 2c was tested as described in Example 3.
  • Fig. 3 shows the discharge capacity of a full cell based on the anode coating of Example 2c as a function of the number of cycles.
  • the full cell has a reversible capacity of 2.25 mAh / cm 2 in the first cycle (C / 25).
  • the area-related delithiation capacity ⁇ is 2.50 mAh / cm 2 , the degree of lithiation a 29.3%, the volumetric anode capacity 1561 mAh / cm 3 .
  • Comparative Example 5 Although the full cell of Comparative Example 5 had a high volumetric capacity, it disadvantageously exhibited high fading.
  • Table 2 summarizes the results of examinations of Example 3 and Comparative Examples 4 and 5.
  • the lithium ion battery of Example 3 surprisingly exhibits both a very high volumetric anode capacity (cycle 1) and a more stable electrochemical behavior in the subsequent cycles compared to the lithium ion batteries of comparative examples 4 and 5.

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Abstract

The invention relates to anodes of lithium ion batteries, the anodes comprising porous anode coatings with volumetric capacities of ≥ 800 mAh/cm3 and current collectors, the porous anode coatings being based on at least one active material (AM) in the form of particles, at least one binder, optionally graphite, optionally at least one other electroconductive component and optionally at least one additive, where the particles containing active material consist of at least 90 wt. %, in relation to the total weight of the particles containing active material, of an element selected from the group comprising silicon (Si), tin (Sn) and lead (Pb), characterised in that the porous anode coatings have a porosity φ in the region of 0.9 * ΦOpt ≤ Φ φΑΜ1.3 * ΦOpt , in which ΦOpt is determined according to the following formula I ΦOpt = φΑΜ * α * K (I), where φΑΜ is the volume percent of the non-lithiated active material in relation to the total volume of the non-lithiated porous anode coating, α is the lithiation degree of the active material in the porous anode coating and can have values of 0 < α ≤ 1, and K represents the value of 3.00 for silicon, 2.44 for tin, and 2.22 for lead.

Description

Anoden von Lithium- Ionen-Batterien  Anodes of lithium-ion batteries
Die Erfindung betrifft Anoden von Lithium- Ionen-Batterien mit porösen Anodenbeschichtungen . The invention relates to anodes of lithium-ion batteries with porous anode coatings.
Wiederaufladbare Lithium- Ionen-Batterien sind heute die praxis- tauglichen elektrochemischen Energiespeicher mit den höchsten gravimetrischen Energiedichten von beispielsweise bis zu 250 Wh/kg. In Lithium- Ionen-Batterien erfolgt bei der Entnahme be- ziehungsweise bei der Speicherung von elektrischer Energie ein Transport von Lithium- Ionen zwischen der Anode, mitunter auch negative Elektrode genannt, und der Kathode der Batterie. Hierfür muss das Elektrodenmaterial Poren enthalten, in denen sich Elektrolyt als Medium für den Lithium- Ionen-Transport befindet. Die Elektrolytmenge determiniert somit die Mindestporosität solcher Batterien. Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien enthalten zur Speicherung von Lithium-Ionen graphitischen Kohlenstoff als Elektrodenaktivmaterial . Graphitischer Kohlenstoff erfährt beim Einlagern beziehungsweise beim Auslagern von Lithium-Ionen keine signifikante Volumenänderung, so dass hierfür keine zusätzliche Porosität erforderlich ist. Rechargeable lithium-ion batteries are now the practical electrochemical energy storage devices with the highest gravimetric energy densities of, for example, up to 250 Wh / kg. In lithium-ion batteries, during removal or storage of electrical energy, lithium ions are transported between the anode, sometimes called the negative electrode, and the cathode of the battery. For this purpose, the electrode material must contain pores in which electrolyte is used as a medium for lithium-ion transport. The amount of electrolyte thus determines the minimum porosity of such batteries. Conventional lithium-ion batteries contain graphitic carbon as electrode active material for storage of lithium ions. Graphite carbon undergoes no significant change in volume during storage or during the removal of lithium ions, so that no additional porosity is required for this purpose.
Ein Nachteil von graphitischem Kohlenstoff ist jedoch seine relativ niedrige elektrochemische Kapazität, die im Falle von Graphit höchstens 372 mAh pro Gramm beträgt und damit nur etwa einem Zehntel der mit Lithiummetall theoretisch erreichbaren elektrochemischen Kapazität entspricht. Zur Steigerung der elektrochemischen Kapazitäten von Lithium- Ionen-Batterien wird seit langem nach alternativen Materialien für Anoden geforscht, insbesondere im Bereich von mit Lithium legierenden (Halb-) Metallen, wie Silicium, Zinn oder Blei, die im Vergleich zu Graphit (372 mAh/g) besonders hohe Materialkapazitäten von bis zu 4200 mAh/g aufweisen. Eine große Herausforderung für die Nutzung dieser Materialien stellt deren große Volumenänderung im Zuge des Ein- beziehungsweise Auslagerns von Lithium dar, da hierbei das Volumen beispielsweise von Silicium, Zinn oder Blei um bis zu 300% zunimmt. Solch extreme Volumenänderungen führen zu einer starken mechanischen Belastung der Elektrodenstruktur, wodurch die Anoden- /Elektrodenstruktur und damit die Lithium- Ionen-Batterie im Laufe der Lade- und Entladezyklen immer mehr beschädigt wird. Dies hat letztlich nach jedem Lade- oder Entladevorgang der Lithium- Ionen-Batterie eine weitere Abnahme von deren Kapazität zur Folge, was auch als Rückgang der reversiblen Kapazität (Fading) bezeichnet wird. However, a disadvantage of graphitic carbon is its relatively low electrochemical capacity which, in the case of graphite, is at most 372 mAh per gram, corresponding to only about one tenth of the lithium metal theoretically achievable electrochemical capacity. In order to increase the electrochemical capacities of lithium-ion batteries, alternative materials for anodes have long been sought, in particular in the area of lithium-alloyed (semi-) metals, such as silicon, tin or lead, compared to graphite (372 mAh / g) have particularly high material capacities of up to 4200 mAh / g. A major challenge for the use of these materials is their large volume change in the course of storage or removal of lithium, since this increases the volume of, for example, silicon, tin or lead by up to 300%. Such extreme volume changes lead to a strong mechanical stress on the electrode structure, whereby the anode / electrode structure and thus the lithium-ion battery is damaged more and more during the charging and discharging cycles. This ultimately results in a further decrease in their capacity after each charging or discharging operation of the lithium-ion battery, which is also referred to as a decrease in the reversible capacity (fading).
Um Lithium-Ionen-Batterien vor solchen Schädigungen zu bewahren, werden die Elektroden mit zusätzlichen Poren ausgestattet, die die Volumenzunahme des Aktivmaterials beim Einlagern der Lithium- Ionen aufnehmen sollen. Diese Strategie ist allerdings zwangsläufig mit dem Nachteil verbunden, dass die Elektroden wegen der zusätzlichen Poren eine entsprechend reduzierte Materialdichte und damit auch eine niedrigere volumetrische Kapazi- tät beziehungsweise entsprechende Zellen eine niedrigere Energiedichte aufweisen. Dies läuft dem Ziel zuwider, die elektrochemischen Kapazitäten der Lithium-Ionen-Batterien zu steigern, was ja gerade der Ausgangspunkt für den Ersatz von graphitischem Kohlenstoff durch (Halb- ) Metalle mit hohen Lithium- Materialkapazitäten, wie Silicium, Zinn oder Blei, war. In order to protect lithium-ion batteries from such damage, the electrodes are provided with additional pores, which are intended to absorb the increase in volume of the active material when storing the lithium ions. However, this strategy inevitably involves the disadvantage that because of the additional pores, the electrodes have a correspondingly reduced material density and thus also a lower volumetric capacity or corresponding cells have a lower energy density. This goes against the goal of increasing the electrochemical capacities of the lithium-ion batteries, which was the starting point for the replacement of graphitic carbon by (semi-) metals with high lithium material capacities, such as silicon, tin or lead.
Die besten Graphit-basierten Anoden von Hochenergie-Lithium- Ionen-Batterien haben heutzutage volumetrische Elektrodenkapazitäten von 600 bis 650 mAh/cm3. Die US2011183209 lehrt für Li- thium- Ionen- ellen mit hoher Energiedichte Anodenbeschichtungen mit niedrigen Porositäten, von beispielsweise 15%. Durch die hohe Verdichtung und der daraus resultierenden geringen Porosität ergeben sich allerdings Limitierungen bezüglich der möglichen Geschwindigkeit der Ein- und Auslagerung der Lithium- Ionen. The best graphite-based anodes of high-energy lithium-ion batteries today have volumetric electrode capacitances of 600 to 650 mAh / cm 3 . US2011183209 teaches high ionic density ionic ion anodes coatings with low porosities, for example 15%. Due to the high densification and the resulting low porosity, however, there are limitations with regard to the possible rate of introduction and removal of the lithium ions.
Vor diesem Hintergrund besteht eine Herausforderung darin, poröse, Silicium enthaltende Anoden für Lithium-Ionen-Batterien bereitzustellen, die möglichst hohe volumetrische Kapazitäten haben und zudem ein möglichst geringes Fading erleiden. Against this background, there is a challenge to provide porous, silicon-containing anodes for lithium-ion batteries, which have the highest possible volumetric capacity and also suffer the least possible fading.
Um die Probleme im Zusammenhang mit der starken Volumenausdehnung des Anoden-Aktivmaterials zu lösen, wurde das Lithium- Ionen speichernde Aktivmaterial in einem Lösungsansatz in porösen Kompositen verkapselt. Die Poren eines Komposites sollen Volumenausdehnungen des Lithium-Ionen speichernden Aktivmaterials auffangen, ohne dass sich das Volumen eines Komposite-Par- tikels ändert. Die Herstellung solcher Komposite ist allerdings aufwändig. Zudem ist es eine Herausforderung, die Poren gezielt an den Stellen und in der Ausdehnung in die Komposite einzubringen, dass die Volumenänderungen eines jeden Aktivmaterial- Partikels vollständig aufgefangen werden. Die US2014030599 AA beschreibt ein poröses Siliciumoxid-basierendes Komposit als Aktivmaterial, wobei Lithium im Komposit dispergiert ist und der Siliciumoxid-Kern mit Kohlenstoff beschichtet ist. Die inhärente Porosität des Kompositmaterials liegt bei 5 bis 90%. Die US2015380733 AA beschreibt ein poröses Aktivmaterial für die negative Elektrode einer Lithium- Ionen-Batterie basierend auf einem Kern aus Silicium und einem Metallsilicid sowie einer Hülle aus porösem Silicium. Die innere Porosität der Hülle liegt im Bereich von 20 bis 80%. Zusätzlich kann auf der Oberfläche eine KohlenstoffSchicht aufgebracht werden. To solve the problems associated with the high volume expansion of the anode active material, the lithium Ion-storing active material encapsulated in a composite solution in porous composites. The pores of a composite are designed to absorb volume expansion of the lithium-ion-storing active material without changing the volume of a composite particle. However, the production of such composites is complicated. In addition, it is a challenge to introduce the pores in the targeted places and in the expansion in the composite that the volume changes of each active material particle are completely absorbed. US2014030599 AA describes a porous silica-based composite as an active material, wherein lithium is dispersed in the composite and the silicon oxide core is coated with carbon. The inherent porosity of the composite material is 5 to 90%. US2015380733 AA describes a porous active material for the negative electrode of a lithium-ion battery based on a core of silicon and a metal silicide and a sheath of porous silicon. The inner porosity of the shell is in the range of 20 to 80%. In addition, a carbon layer can be applied to the surface.
In einem anderen Ansatz werden inhärent poröse Aktivmaterialien eingesetzt, um das Freivolumen zum Abpuffern der Volumenausdehnung des Lithium- Ionen speichernden Aktivmaterials zu schaffen. Die US 9196896 B beschreibt ein Silicium-basierendes Aktivmate- rial, welches eine Si-Phase, eine SiOx-Phase (0<x<2) und eine Si02-Phase enthält und welches eine Porosität von 7-71% aufweist. Die US 2015072240 A beschreibt poröses Silicium oder Si- Ox (0<x<2) mit offenen, nicht-linearen Poren in der Oberfläche der Partikel, wobei die Porosität der Partikel im Bereich von 5 bis 90% liegen und durch BET-Messungen oder Quecksilber-Porosi- metrie bestimmt werden kann. Porositäten der diese Materialien enthaltenden Elektrodenbeschichtungen sind nicht genannt. Die WO2016/092335 beschreibt eine Elektrode für eine Metall-Ionen- Batterie, die aus einem Abieiter und einer Aktivmaterialschicht besteht, welche poröse Partikel eines elektrochemisch aktiven Materials, wie Silicium, Zinn oder Aluminium, enthält, die 0,5 bis 18 m groß sind und eine innere Porosität von 30 bis 90% aufweisen. Zusätzlich findet sich in den Elektroden 2 bis 30% Porosität zwischen den Elektrodenbestandteilen (definiert anhand des Flächenanteils der interpartikulären Poren in einem EM-Bild vom Querschnitt der Elektrode) . Die beschriebenen Elektroden weisen allerdings nur volumetrische Kapazitäten von unter 600 mAh/cm3 auf, so dass die gewünschte Steigerung derIn another approach, inherently porous active materials are employed to provide the free volume to buffer the volume expansion of the lithium ion-storing active material. No. 9196896 B describes a silicon-based active material which contains an Si phase, an SiO x phase (0 <x <2) and a SiO 2 phase and which has a porosity of 7-71%. US 2015072240 A describes porous silicon or Si-O x (0 <x <2) with open, non-linear pores in the surface of the particles, wherein the porosity of the particles are in the range of 5 to 90% and by BET measurements or mercury porosimetry can be determined. Porosities of the electrode coatings containing these materials are not mentioned. WO2016 / 092335 describes an electrode for a metal-ion battery which consists of a Abieiter and an active material layer containing porous particles of an electrochemically active material, such as silicon, tin or aluminum, which are 0.5 to 18 m in size and have an internal porosity of 30 to 90%. In addition, there are 2 to 30% in the electrodes Porosity between electrode components (defined by the area fraction of interparticle pores in an EM image from the cross-section of the electrode). However, the electrodes described have only volumetric capacities of less than 600 mAh / cm 3 , so that the desired increase in the
Energiedichte im Vergleich zu etablierten Graphit-haltigen Zellen nicht erreicht wird. Zudem genügt die darin beschriebene Verbesserung der Zyklenfestigkeit der Batterie noch nicht den gegenwärtigen Praxisanforderungen . Energy density compared to established graphite-containing cells is not achieved. In addition, the improvement in cycle life of the battery described therein does not yet meet current practical requirements.
In einem weiteren alternativen Ansatz zum Abpuffern der Aktivmaterial-Volumenausdehnung werden die Elektrodenbeschichtungen selber mit einer Porosität ausgestattet. In solchen porösen Elektrodenstrukturen befinden sich die Poren zwischen den Be- standteilen der Elektrodenbeschichtung, also zwischen den Aktivmaterial-Partikeln und den weiteren Elektrodenbestandteilen. Die Aktivmaterial-Partikel selber sind dabei im Allgemeinen weitgehend unporös. Solche Anodenbeschichtungen basieren also auf bloßen Abmischungen aus Aktivmaterial-Partikeln, Bindemit- teln und weiteren üblichen Zusatzstoffen. Solche Beschichtungen werden auch als physikalische Mischungen bezeichnet. Die US 2016006024 A beschreibt negative Elektroden basierend auf mit nicht graphitisierbarem Kohlenstoff beschichtetem Silicium-ba- sierenden Aktivmaterial sowie einem nicht fluorierten Binder, wobei die Elektrodenstruktur eine Porosität von 30 bis 80% aufweist. Die US 8039152 B beschreibt eine negative Elektrodenschicht bestehend aus Nanopartikeln, die z.B. aus Silicium oder Zinn bestehen können und die mit Lithium in Form einer Legierungsbildung reagieren und Matrix-Nanopartikeln, wie z.B. Co- baltoxid, die mit Lithium in Form einer Konversionsreaktion reagieren, zwischen denen sich Poren befinden, wodurch eine Gesamtporosität definiert wird, die zwischen 5 und 80%, bevorzugt zwischen 10 und 50 % liegt. Die US 2015228980 A beschreibt eine Methode zur Herstellung einer Elektrodenstruktur mit einer Po- rosität von 20 bis 80%, wobei die Aktivmaterialpartikel auf Basis von Silicium oberflächenfunktionalisiert sind und die funktionellen Gruppen mit einem passenden Bindemittel reagiert werden. Die Größe der eingesetzten Siliciumpartikel liegt im Be- reich von 100 nm bis 100 μιη, die Partikel sind nahezu sphärisch mit einem Aspektverhältnis von < 10. In another alternative approach for buffering the active material volume expansion, the electrode coatings themselves are provided with a porosity. In such porous electrode structures, the pores are located between the constituents of the electrode coating, ie between the active material particles and the other electrode constituents. The active material particles themselves are generally largely non-porous. Such anode coatings are thus based on mere blends of active material particles, binders and other customary additives. Such coatings are also referred to as physical mixtures. US 2016006024 A describes negative electrodes based on non-graphitizable carbon-coated silicon-based active material and a non-fluorinated binder, wherein the electrode structure has a porosity of 30 to 80%. US Pat. No. 3,039,152 B describes a negative electrode layer consisting of nanoparticles, which can consist of silicon or tin, for example, and which react with lithium in the form of an alloy formation and interpose matrix nanoparticles, such as cobalt oxide, which react with lithium in the form of a conversion reaction which have pores defining a total porosity of between 5 and 80%, preferably between 10 and 50%. US 2015228980 A describes a method for producing an electrode structure having a porosity of 20 to 80%, wherein the silicon-based active material particles are surface-functionalized and the functional groups are reacted with a suitable binder. The size of the silicon particles used is rich from 100 nm to 100 μιη, the particles are almost spherical with an aspect ratio of <10.
Die US 9012066 BB beschreibt eine Elektrodenstruktur mit einer durch Quecksilberporosimetrie beschriebene Porenstruktur, wobei die Verteilung der Porengrößen gegen die Quecksilberintrusions - rate bei Porengrößen im Bereich 30 bis 10000 nm ein oder mehrere Maxima aufweist. Als Aktivmaterial werden Siliciumpartikel mit einer Größe von 0,5 bis 20 μτη verwendet. Die Gesamtporosi - tat der Anodenschicht liegt im Bereich von 4 bis 70%. Als Binder wird insbesondere durch Erhitzen vernetztes Polyimid eingesetzt, was zu sehr niedrigen Zunahmen der Elektrodendicke führt. So wird bei Verwendung von 5 μπι Siliciumpartikeln in Mischung mit einem Polyimid als Binder (80/20 wt/wt) und einer Porosität der erfindungsgemäßen Elektrode von 20% ein Verlust von 15% der Kapazität nach dem einhundertsten Zyklus nach der Formierung erreicht. Dies stellt zwar eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu den nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispielen dar, ist aber für technische Anwendungen, wie in Elekt- rofahrzeugen, bei weitem nicht ausreichend. Auf die Bedeutung der volumetrischen Kapazität der negativen Elektrodenschicht für die erreichbare Energiedichte einer Lithium-Ionen-Zelle wird nicht eingegangen. Trotz der insbesondere durch die in der O2016/092335 bzw. in der US9012066 B durch zur Verfügung stellen von Porosität erreichten Verbesserungen, ist somit festzuhalten, dass zufriedenstellende Zyklenfestigkeiten bei gleichzeitig zur Steigerung der Zellenergiedichte ausreichend hohen volumetrischen Elektro- denkapazitäten nicht realisiert werden konnten. US Pat. No. 9012066 BB describes an electrode structure with a pore structure described by mercury porosimetry, wherein the distribution of the pore sizes against the mercury intrusion rate has pore sizes in the range from 30 to 10000 nm one or more maxima. As active material silicon particles are used with a size of 0.5 to 20 μτη. The total porosity of the anode layer is in the range of 4 to 70%. The binder used is, in particular, crosslinked polyimide by heating, which leads to very low increases in the electrode thickness. Thus, when using 5 μπι silicon particles in admixture with a polyimide as a binder (80/20 wt / wt) and a porosity of the electrode of 20% according to the invention a loss of 15% of the capacity after the hundredth cycle after the formation achieved. Although this represents a significant improvement compared to the comparative examples not according to the invention, it is by far not sufficient for technical applications, such as in electric vehicles. The importance of the volumetric capacity of the negative electrode layer for the achievable energy density of a lithium-ion cell is not discussed. Despite the improvements achieved by providing porosity in particular in O2016 / 092335 and in US9012066 B, it can thus be stated that satisfactory cycle strengths could not be achieved with sufficiently high volumetric electrode capacities at the same time to increase the cell energy density.
Vor diesem Hintergrund bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Lithium-Ionen-Batterien mit Aktivmaterial, wie Silicium, Zinn oder Blei, enthaltenden Anoden bereitzustellen, die eine möglichst hohe volumetrische Kapazität und nach Be- und Entladezyklen ein stabiles elektrochemisches Verhalten mit möglichst geringem Rückgang der reversiblen Kapazität (Fading) aufweisen. Überraschenderweise wurde diese Aufgabe gelöst, indem die Anode der Lithium- Ionen-Batterien mit einer wohldefinierten Porosität ausgestattet wurde. Against this background, the object of the present invention was to provide lithium-ion batteries with active material, such as silicon, tin or lead containing anodes, the highest possible volumetric capacity and after charging and discharging a stable electrochemical behavior with the least possible decrease have the reversible capacity (fading). Surprisingly, this object has been achieved by providing the anode of the lithium-ion batteries with a well-defined porosity.
Ein Gegenstand der Erfindung sind Anoden von Lithium- Ionen- Batterien, An object of the invention are anodes of lithium-ion batteries,
wobei die Anoden poröse Anodenbeschichtungen mit volumetrischen Kapazitäten von > 800 mAh/cm3 und Stromsammler umfassen und die porösen Anodenbeschichtungen auf mindestens einem Aktivmaterial (AM) in Form von Partikeln, einem oder mehreren Bindemitteln, gegebenenfalls Graphit, gegebenenfalls einem oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten und gegebenenfalls einem oder mehreren Additiven basieren, wherein the anodes comprise porous anode coatings with volumetric capacities of> 800 mAh / cm 3 and current collector and the porous anode coatings on at least one active material (AM) in the form of particles, one or more binders, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive components and optionally one or more additives,
wobei die Aktivmaterial enthaltenden Partikel zu mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterial enthaltenden Partikel, aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si) , Zinn (Sn) und Blei (Pb) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass wherein the active material-containing particles to at least 90 wt .-%, based on the total weight of the active material-containing particles, made of an element selected from the group consisting of silicon (Si), tin (Sn) and lead (Pb), characterized in that
a) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,50 bis < 1,00 und a) porous anode coatings with a degree of lithiation α in the range of 0.50 to <1.00 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen AnodenbeSchichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 6 bis 61 Vol.-% haben; oder  having an active material content of 5 to 30% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity φ in the range of 6 to 61% by volume; or
b) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,30 bis 0,70 und b) porous anode coatings with a degree of lithiation α in the range of 0.30 to 0.70 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 30 bis 60 Gew. -%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 19 bis 71 Vol.-% haben; oder  having an active material content of 30 to 60% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity φ in the range of 19 to 71% by volume; or
c) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad aus dem Bereich von 0,20 bis 0,50 und c) porous anode coatings having a degree of lithiation in the range of 0.20 to 0.50 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 60 bis 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 23 bis 72 Vol.-% haben; oder d) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α von 0,95 bis 1,00 und having an active material content of 60 to 85% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity φ in the range of 23 to 72% by volume; or d) porous anode coatings having a degree of lithiation α of 0.95 to 1.00 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 11 bis 61 Vol.-% haben.  having an active material content of 5 to 30% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity φ in the range of 11 to 61% by volume.
In Alternative a) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine Porosität φ aus dem Bereich von 6 bis 61 Vol.-% und bevorzugt 7 bis 56 Vol. -%. In alternative a), the porous anode coatings have a porosity φ in the range of 6 to 61% by volume and preferably 7 to 56% by volume.
In einer weiteren Alternative al) , einer bevorzugten Ausführungsform von Alternative a) , haben die porösen Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,50 bis < 1,00 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweise 6 bis 48 Vol.-% und besonders bevorzugt 7 bis 44 Vol.-%. In a further alternative al), a preferred embodiment of alternative a), the porous anode coatings having a degree of lithiation α from the range of 0.50 to <1.00 and having an active material content of 5 to 20 wt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably 6 to 48 vol .-% and particularly preferably 7 to 44 vol .-%.
In einer weiteren Alternative a2), einer bevorzugten Ausfüh- rungsform von Alternative a) , haben die porösen Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,50 bis < 1,00 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 20 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweise 20 bis 61 Vol.-% und besonders bevorzugt 23 bis 56 Vol.-%. In a further alternative a2), a preferred embodiment of alternative a), the porous anode coatings having a degree of lithiation α have a range from 0.50 to <1.00 and an active material content of 20 to 30% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably 20 to 61 vol .-% and particularly preferably 23 to 56 vol .-%.
In Alternative b) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine Porosität φ aus dem Bereich von 19 bis 71 Vol.-% und bevorzugt 21 bis 66 Vol. -%. In alternative b), the porous anode coatings have a porosity φ in the range of 19 to 71% by volume and preferably 21 to 66% by volume.
In einer weiteren Alternative bl) , einer bevorzugten Ausführungsform von Alternative b) , haben die porösen Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,30 bis 0,70 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 30 bis 45 In a further alternative b1), a preferred embodiment of alternative b), the porous anode coatings having a degree of lithiation α have a range of from 0.30 to 0.70 and an active material content of from 30 to 45
Gew. - , bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweise 19 bis 62 Vol.-% und besonders bevorzugt 21 bis 57 Vol.-%. In einer weiteren Alternative b2) , einer bevorzugten Ausführungsform von Alternative b) , haben die porösen Anodenbeschich- tungen mit einem Lithiierungsgrad aus dem Bereich von 0,30 bis 0,70 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 45 bis 60 Wt .-, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably 19 to 62 vol .-% and particularly preferably 21 to 57 vol .-%. In a further alternative b2), a preferred embodiment of alternative b), the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range of 0.30 to 0.70 and an active material content of 45 to 60
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweiseWt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably
25 bis 71 Vol.-% und besonders bevorzugt 28 bis 66 Vol.-%. 25 to 71% by volume and more preferably 28 to 66% by volume.
In Alternative c) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine Porosität φ aus dem Bereich von 23 bis 72 Vol.-% und bevorzugtIn alternative c), the porous anode coatings have a porosity φ in the range of 23 to 72 vol .-% and preferably
26 bis 66 Vol. -%. 26 to 66% by volume.
In einer weiteren Alternative cl) , einer bevorzugten Ausführungsform von Alternative c) , haben die porösen Anodenbeschich- tungen mit einem Lithiierungsgrad aus dem Bereich von 0,20 bis 0,50 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 60 bis 72 In a further alternative c1), a preferred embodiment of alternative c), the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range from 0.20 to 0.50 and with an active material content of 60 to 72
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweise 23 bis 66 Vol.-% und besonders bevorzugt 26 bis 61 Vol.-%. Wt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably 23 to 66 vol .-% and particularly preferably 26 to 61 vol .-%.
In einer weiteren Alternative c2) , einer bevorzugten Ausführungsform von Alternative c) , haben die porösen Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad aus dem Bereich von 0,20 bis 0,50 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 72 bis 85 In a further alternative c2), a preferred embodiment of alternative c), the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range of 0.20 to 0.50 and with an active material content of 72 to 85
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweiseWt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably
27 bis 72 Vol.-% und besonders bevorzugt 30 bis 66 Vol.-%. From 27 to 72% by volume and more preferably from 30 to 66% by volume.
In Alternative d) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine Porosität φ aus dem Bereich von 11 bis 61 Vol.-% und bevorzugt 12 bis 56 Vol . -% . In alternative d), the porous anode coatings have a porosity φ in the range of 11 to 61 vol .-%, and preferably 12 to 56 vol. -%.
In einer weiteren Alternative dl) , einer bevorzugten Ausführungsform von Alternative d) , haben die porösen Anodenbeschich- tungen mit einem Lithiierungsgrad aus dem Bereich von 0,95 bis 1,00 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweise 11 bis 48 Vol.-% und besonders bevorzugt 12 bis 44 Vol.-%. In a further alternative d1), a preferred embodiment of alternative d), the porous anode coatings have a degree of lithiation in the range of 0.95 to 1.00 and with an active material content of 5 to 20 wt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably 11 to 48 vol .-% and particularly preferably 12 to 44 vol .-%.
In einer weiteren Alternative d2) , einer bevorzugten Ausfüh- rungsform von Alternative d) , haben die porösen Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0, 95 bis 1,00 und mit einem Aktivmaterialgehalt von 20 bis 30 In a further alternative d2), a preferred embodiment of alternative d), the porous anode coatings having a degree of lithiation α have from the range of 0.95 to 1.00 and with an active material content of 20 to 30
Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbe- schichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von vorzugsweise 32 bis 61 Vol.-% und besonders bevorzugt 36 bis 56 Vol.-%. Wt .-%, based on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ in the range of preferably 32 to 61 vol .-% and particularly preferably 36 to 56 vol .-%.
Bevorzugt sind die Alternative c) , insbesondere die Alternativen cl) und c2 ) . Die Porosität φ der porösen Anodenbeschichtungen kann beispielsweise mittels Hg-Porosimetrie (Porotec, Pascal 140/440) nach DIN 66133 bestimmt werden. Hierzu wird vorzugsweise eine Probe der vollständig delithiierten Anode mit einer Grundfläche von 25x350 mm2 eingesetzt. Preferred are the alternative c), in particular the alternatives cl) and c2). The porosity φ of the porous anode coatings can be determined, for example, by means of Hg porosimetry (Porotec, Pascal 140/440) to DIN 66133. For this purpose, a sample of the completely delithiated anode with a base area of 25 × 350 mm 2 is preferably used.
Weitere Angaben zu den Parametern betreffend die volumetrische Kapazität, den Lithiierungsgrad a und die Porosität φ finden sich weiter unten. Die erfindungsgemäßen Anoden von Lithium- Ionen-Batterien mit den porösen Anodenbeschichtungen gemäß den Alternativen a) bis d) können über die folgende Formel I zusammengefasst werden. Further information on the volumetric capacity parameters, the degree of lithiation a and the porosity φ can be found below. The novel anodes of lithium-ion batteries with the porous anode coatings according to the alternatives a) to d) can be summarized by the following formula I.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Anoden von Lithium- Ionen-Batterien, Another object of the invention are anodes of lithium-ion batteries,
wobei die Anoden poröse Anodenbeschichtungen mit volumetrischen Kapazitäten von 800 mAh/cm3 und Stromsammler umfassen und die porösen Anodenbeschichtungen auf mindestens einem Aktivmaterial (AM) in Form von Partikeln, einem oder mehreren Binde- mittein, gegebenenfalls Graphit, gegebenenfalls einem oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten und gegebenenfalls einem oder mehreren Additiven basieren, wherein the anodes comprise porous anode coatings with volumetric capacities of 800 mAh / cm 3 and current collector and the porous anode coatings on at least one active material (AM) in the form of particles, one or more Bindinde, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive Components and optionally one or more additives,
wobei die Aktivmaterial enthaltenden Partikel zu mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterial enthaltenden Partikel, aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si) , Zinn (Sn) und Blei (Pb) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass wherein the active material-containing particles to at least 90 Wt .-%, based on the total weight of the active material-containing particles, of an element selected from the group consisting of silicon (Si), tin (Sn) and lead (Pb) consist, characterized in that
die porösen Anodenbeschichtungen eine Porosität φ aufweisen, die im Bereich von 0,9 * <f>0pt ^ ψ ^ 1,3 * φopt liegt, in der sich φ<^ nach folgender Formel I the porous anode coatings have a porosity φ which is in the range of 0.9 * <f> 0p t ^ ψ ^ 1.3 * φ opt, in which φ <^ according to the following formula I
φορ = ΑΜ * * K (I) bestimmt, worin  φορ = ΑΜ * * K (I) determines where
c AM für den prozentualen Volumenanteil des unlithiierten Aktiv- materials am Gesamtvolumen der unlithiierten porösen Ano- denbeschichtung steht, c AM is the percentage by volume of unlithiated active material in the total volume of the unlithiated porous anode coating,
α den Lithiierungsgrad des Aktivmaterials in der porösen Ano- denbeschichtung darstellt und Werte von 0 < α < 1 annehmen kann und represents the degree of lithiation of the active material in the porous anode coating and can assume values of 0 <α <1 and
K für Silicium (Si) den Wert von 3,00, für Zinn (Sn) den Wert von 2,44 und für Blei (Pb) den Wert von 2,22 und annimmt. K for silicon (Si) the value of 3.00, for tin (Sn) the value of 2.44 and for lead (Pb) the value of 2.22 and.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Lithium- Ionen- Batterien enthaltend die vorgenannten Anoden mit erfindungsge- mäßer, poröser Anodenbeschichtung . Another object of the invention are lithium-ion batteries containing the aforementioned anodes with inventive, porous anode coating.
Die Porosität φ nimmt allgemein Werte größer als 0 und kleiner als 75 an. Für die Porosität φ sind 6 bis 72 Vol.-% bevorzugt, 7 bis 66 Vol.-% besonders bevorzugt und 26 bis 66 Vol.-% am meisten bevorzugt. The porosity φ generally assumes values greater than 0 and less than 75. For the porosity φ, 6 to 72% by volume is preferred, 7 to 66% by volume is particularly preferred, and 26 to 66% by volume is most preferred.
Die Porosität φ liegt im Bereich von 0,9 * φ0ρί < φ 1,3 * §0pt und vorzugsweise 1,0 * §0pt < φ 1,2 * φ0ρί . Das Zeichen * in der Formel I steht für den mathematischen Operator der Multiplikation. The porosity φ is in the range of 0.9 * φ 0ρί <φ 1.3 * § 0pt and preferably 1.0 * § 0pt <φ 1.2 * φ 0ρί . The symbol * in the formula I stands for the mathematical operator of multiplication.
Der Parameter κ bildet die Volumenänderung des Aktivmaterials in Folge des Übergangs vom nicht lithiierten Zustand in den Zu- stand vollständiger Lithiierung ab. Der Parameter κ ergibt sich allgemein, indem die Differenz aus dem Volumen des vollständig lithiierten Aktivmaterials (Viith.) und dem Volumen des unlithiierten Aktivmaterials (Vuniit . ) durch das Volumen des unlithiier- ten Aktivmaterials (Vunilth, ) dividiert wird; oder mathematisch ausgedrückt nach folgender Formel: κ = (Viith. - Vunlith.) / Vuniith. Der Parameter κ ist eine Materialkonstante und wird im Allgemeinen für 20°C und Atmosphärendruck angegeben. The parameter κ represents the volume change of the active material as a result of the transition from the non-lithiated state to the state of complete lithiation. The parameter κ is generally given by the difference between the volume of the fully lithiated active material (Vii th .) And the volume of unlithiierten active material (V un ii t .) By the volume of unlithiier- active material (V un i lth ,) is divided; or expressed mathematically by the following equation: κ = (Vi it h - unlith V..) / V i un ith. The parameter κ is a material constant and is generally given for 20 ° C and atmospheric pressure.
Der Lithiierungsgrad α drückt aus, dass das Aktivmaterial der porösen Anodenbeschichtung in der vollständig geladenen Lithium-Ionen-Batterie vollständig lithiiert oder teilweise lithii- ert sein kann. Für vollständig lithiiertes Aktivmaterial ist = 1, für unlithiiertes Aktivmaterial ist = 0 und für teilweise lithiiertes Aktivmaterial gilt 0 < < 1. Bevorzugt ist das Aktivmaterial der porösen Anodenbeschichtung teilweise lithiiert . Die Begriffe unlithiiert, delithiiert und nicht lithiiert werden in der vorliegenden Schrift synonym verwendet. Die Begriffe vollständig lithiiert, voll lithiiert und maximal lithiiert werden in der vorliegenden Schrift synonym verwendet. Vollständig geladen bezeichnet den Zustand der Lithium-Ionen- Batterie, in dem die poröse Anodenbeschichtung der Lithium- Ionen-Batterie ihre höchste Beladung an Lithium aufweist. Teilweise Lithiierung der porösen Anodenbeschichtung bedeutet, dass das maximale Lithiumaufnahmevermögen der Aktivmaterialien in der porösen Anodenbeschichtung nicht ausgeschöpft wird. Bei teilweiser Lithiierung wird also die Kapazität des Aktivmaterials für Lithium nicht vollständig ausgenutzt. Das maximale Lithiumaufnahmevermögen der Siliciumpartikel entspricht allgemein der Formel Li4.4Si und beträgt somit allgemein 4,4 Lithiumatome pro Siliciumatom . Dies entspricht einer maximalen spezifischen Kapazität von 4200 mAh pro Gramm Silicium. Im Falle der Zinnpartikel entspricht das maximale Lithiumaufnahmevermögen allgemein der Formel Li4.4Sn und beträgt somit allgemein 4,4 Lithiumatome pro Zinnatom. Dies entspricht einer maximalen spezifi- sehen Kapazität von 993 mAh pro Gramm Zinn. Im Falle der Bleipartikel entspricht das maximale Lithiumaufnahmevermögen allgemein der Formel Li4,5Pb und beträgt somit allgemein 4,5 Lithiu- matome pro Bleiatom. Dies entspricht einer maximalen spezifischen Kapazität von 582 mAh pro Gramm Blei. The degree of lithiation α expresses that the active material of the porous anode coating in the fully charged lithium-ion battery can be completely lithiated or partially lithiated. For fully lithiated active material = 1, for unlithiated active material = 0, and for partially lithiated active material, 0 <<1. Preferably, the active material of the porous anode coating is partially lithiated. The terms unlithiated, delithiated and not lithiated are used interchangeably in the present specification. The terms completely lithiated, fully lithiated and lithiated maximum are used interchangeably in the present specification. Fully charged indicates the state of the lithium-ion battery in which the porous anode coating of the lithium-ion battery has its highest lithium loading. Partial lithiation of the porous anode coating means that the maximum lithium uptake capacity of the active materials in the porous anode coating is not exhausted. In the case of partial lithiation, therefore, the capacity of the active material for lithium is not fully utilized. The maximum lithium absorption capacity of the silicon particles generally corresponds to the formula Li 4 . 4 Si and thus is generally 4.4 lithium atoms per silicon atom. This corresponds to a maximum specific capacity of 4200 mAh per gram of silicon. In the case of the tin particles, the maximum lithium uptake capacity generally corresponds to the formula Li 4 . 4 Sn and thus is generally 4.4 lithium atoms per tin atom. This corresponds to a maximum specific capacity of 993 mAh per gram of tin. In the case of the lead particles, the maximum lithium uptake capacity generally corresponds to the formula Li 4 , 5 Pb and is thus generally 4.5 lithium matome per lead atom. This corresponds to a maximum specific capacity of 582 mAh per gram of lead.
Das Verhältnis der Lithiumatome zu den Aktivmaterial-Atomen (AM) in der porösen Anodenbeschichtung einer Lithium- Ionen-Batterie (Li/AM-Verhältnis) kann beispielsweise über den elektrischen Ladungsfluss eingestellt werden. Der Lithiierungsgrad der porösen Anodenbeschichtung beziehungsweise der in der porösen Anodenbeschichtung enthaltenen Aktivmaterial-Partikel ist pro- portional zur geflossenen elektrischen Ladung. Bei dieser Variante wird beim Laden der Lithium- Ionen-Batterie die Kapazität der porösen Anodenbeschichtung für Lithium nicht voll ausgeschöpft. Dies resultiert in einer teilweisen Lithiierung der Anode . The ratio of the lithium atoms to the active material atoms (AM) in the porous anode coating of a lithium-ion battery (Li / AM ratio) can be adjusted, for example, via the electric charge flow. The degree of lithiation of the porous anode coating or of the active material particles contained in the porous anode coating is proportional to the electric charge that has flowed. In this variant, when charging the lithium-ion battery, the capacity of the porous anode coating for lithium is not fully utilized. This results in partial lithiation of the anode.
Bei einer alternativen, bevorzugten Variante wird das Li/AM- Verhältnis einer Lithium- Ionen-Batterie durch das Zellbalancing eingestellt. Hierbei werden die Lithium-Ionen-Batterien so ausgelegt, dass das Lithiumaufnahmevermögen der Anode vorzugsweise größer ist als das Lithiumabgabevermögen der Kathode. Dies führt dazu, dass in der vollständig geladenen Batterie das Lithiumaufnahmevermögen der Anode nicht voll ausgeschöpft ist, d.h. dass die poröse Anodenbeschichtung nur teilweise lithiiert ist . In an alternative, preferred variant, the Li / AM ratio of a lithium-ion battery is set by the cell balancing. Here, the lithium-ion batteries are designed so that the lithium absorption capacity of the anode is preferably greater than the lithium emitting capacity of the cathode. As a result, in the fully charged battery, the lithium uptake capability of the anode is not fully utilized, i. that the porous anode coating is only partially lithiated.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Li/AM-Ver- hältnis bei teilweiser Lithiierung der porösen Anodenbeschichtung im vollständig geladenen Zustand der Lithium- Ionen- Batterie vorzugsweise ^ 2,2, besonders bevorzugt ^ 1,98 und am meisten bevorzugt ^ 1,76. Das Li/AM-Verhältnis in der porösen Anodenbeschichtung im vollständig geladenen Zustand der Lithium-Ionen-Batterie ist vorzugsweise ^ 0,22, besonders bevorzugt ^ 0,44 und am meisten bevorzugt ^ 0,66. Die Kapazität des Aktivmaterials der porösen Anodenbeschichtung der Lithium- Ionen-Batterie wird vorzugsweise zu ^ 50%, besonders bevorzugt zu ^ 45% und am meisten bevorzugt zu ^ 40% genutzt, bezogen auf die maximale Kapazität pro Gramm Aktivmate- rial . Die maximale Kapazität pro Gramm Silicium beträgt 4200 mAh, die maximale Kapazität pro Gramm Zinn beträgt 993 mAh, und die maximale Kapazität pro Gramm Blei beträgt 582 mAh. Der Lithiierungsgrad α des Aktivmaterials kann beispielsweise an Hand folgender Formel III bestimmt werden: In a preferred embodiment, the Li / AM ratio with partial lithiation of the porous anode coating in the fully charged state of the lithium ion battery is preferably 2,2 2.2, more preferably 1 1.98, and most preferably 1,7 1.76. The Li / AM ratio in the fully charged state porous anode coating of the lithium ion battery is preferably 0.22, more preferably 0.44, and most preferably 0.66. The capacity of the active material of the porous anode coating of the lithium-ion battery is preferably used at ^ 50%, more preferably at 45% and most preferably at 40%, based on the maximum capacity per gram of active material. rial. The maximum capacity per gram of silicon is 4200 mAh, the maximum capacity per gram of tin is 993 mAh, and the maximum capacity per gram of lead is 582 mAh. The degree of lithiation α of the active material can be determined, for example, by the following formula III:
ß-100  SS 100
=— III , mit  = - III, with
y-FG-<üAM y-FG- <u AM
ß: flächenbezogene Delithiierungs-Kapazität der Aktivmaterialhaltigen Anode bei der jeweiligen Ladeschlussspannung der Lithium- Ionen-Batterie ;  ß: area-related delithiation capacity of the active material-containing anode at the respective charge end voltage of the lithium-ion battery;
γ: maximale Kapazität des Aktivmaterials für Lithium γ: maximum capacity of the active material for lithium
(entspricht für Silicium bei einer Stöchiometrie von Li /4Si 4200 mAh/g, (corresponds to 4200 mAh / g for silicon at a stoichiometry of Li / 4 Si,
für Zinn bei einer Stöchiometrie von Li4.4Sn 993 mAh/g und für Blei bei einer Stöchiometrie von Li4.5Pb 582 mAh/g) ; for tin at a stoichiometry of Li 4 . 4 Sn 993 mAh / g and for lead at a stoichiometry of Li 4 . 5 Pb 582 mAh / g);
FG: Flächengewicht der Anodenbeschichtung;  FG: basis weight of the anode coating;
<x>m prozentualer Aktivmaterial -Gewichtsanteil in der Anodenbeschichtung . Bestimmung der flächenbezogenen Delithiierungs-Kapazität ß:<x> m % active material weight percentage in the anode coating. Determination of area-related delithiation capacity ß:
Zuerst wird die Lithium- Ionen-Batterie in den elektrisch geladenen Zustand überführt, indem sie nach dem cc -Verfahren (con- stant current) mit konstantem Strom von 5 mA/g (entspricht C/25) bis zum Erreichen der Spannungsgrenze von 4,2 V geladen wird. Hierbei wird die Anode lithiiert. Die so geladene Lithium-Ionen-Batterie wird geöffnet, die Anode entnommen und mit dieser eine Knopf-Halbzelle (Typ CR2032, Hohsen Corp.) mit Lithium-Gegenelektrode (Rockwood Lithium, Dicke 0,5 mm, Durchmesser = 15 mm) aufgebaut. Ein mit 120 μΐ Elektrolyt getränktes Glasfaser-Filterpapier (Whatman, GD Type D) kann als als Separator (Durchmesser = 16 mm) dienen. Als Elektrolyt wird eine 1,0 -molare Lösung von Lithiumhexafluorophosphat in einem 3:7 (v/v) Gemisch von Fluorethylencarbonat und Ethylmethylcarbonat eingesetzt, welche mit 2,0 Gew. - Vinylencarbonat versetzt ist. Der Bau der Zelle erfolgt im Allgemeinen in einer Glovebox (< 1 ppm an H20 und 02) . Der Wassergehalt der Trockenmasse aller Einsatzstoffe liegt vorzugsweise unterhalb von 20 ppm. Die flä- chenbezogene Delithiierungs-Kapazität ß der Aktivmaterial - haltigen Anodenbeschichtung wird bestimmt durch Laden der so hergestellten Knopf -Halbzelle (Arbeitselektrode = positive Elektrode = Aktivmaterial -Anode ; Gegenelektrode = Anode = Li- thium) mit C/25 bis zum Erreichen der Spannungsgrenze von 1,5 V. Die elektrochemischen Messungen an Voll- und Halbzelle werden bei 20 °C durchgeführt. Der oben genannte konstante Strom bezieht sich auf das Gewicht der Beschichtung der positiven Elektrode . First, the lithium-ion battery is transferred to the electrically charged state by applying the constant current (CC) method with a constant current of 5 mA / g (equivalent to C / 25) until reaching the voltage limit of 4, 2V is charged. In this case, the anode is lithiated. The thus charged lithium-ion battery is opened, removed the anode and built with this a button half-cell (type CR2032, Hohsen Corp.) with lithium counter electrode (Rockwood Lithium, thickness 0.5 mm, diameter = 15 mm). A glass fiber filter paper impregnated with 120 μΐ electrolyte (Whatman, GD Type D) can serve as a separator (diameter = 16 mm). The electrolyte used is a 1.0 molar solution of lithium hexafluorophosphate in a 3: 7 (v / v) mixture of fluoroethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, which is mixed with 2.0% by weight of vinylene carbonate. The construction of the cell is generally carried out in a glove box (<1 ppm H 2 0 and 0 2 ). The water content of the dry matter of all starting materials is preferably below 20 ppm. The flax particle-related delithiation capacity β of the active material-containing anode coating is determined by charging the button half cell (working electrode = positive electrode = active material anode, counter electrode = anode = lithium) with C / 25 until the voltage limit of 1 is reached, 5 V. The electrochemical measurements on full and half cells are carried out at 20 ° C. The above constant current refers to the weight of the positive electrode coating.
Der prozentuale Volumenanteil des Aktivmaterials am Gesamtvolumen der porösen Anodenbeschichtung (pM aus Formel I kann an Hand folgender Formel II The percentage volume fraction of the active material in the total volume of the porous anode coating (p M from formula I can be calculated using the following formula II
ΦΑΜ = «AM * PB / PAM (II) ermittelt werden, worin für den prozentualen Gewichtsanteil des Aktivmaterials in der porösen Anodenbeschichtung,  ΦΑΜ = AM AM * PB / PAM (II), wherein is the percentage by weight of the active material in the porous anode coating,
pB für die Dichte der porösen Anodenbeschichtung und p B for the density of the porous anode coating and
PAM für die Reindichte des Aktivmaterials steht. Der prozentuale Gewichtsanteil m des Aktivmaterials in der porösen Anodenbeschichtung kann bestimmt werden, indem zuerst die poröse Anodenbeschichtung nass aufgeschlossen und anschließend mittels ICP-OES (inductively coupled plasma) -Emissionspektro- metrie der prozentuale Gewichtsanteil Qm ermittelt wird, wie im Folgenden für Silicium beispielhaft beschrieben: P AM stands for the true density of the active material. The weight percentage m of the active material in the porous anode coating can be determined by first wet-digesting the porous anode coating and then by percent inductively coupled plasma (ICP) OES, the percent weight fraction Q m , as exemplified below for silicon described:
Aus einer Probe der vollständig delithiierten porösen Anodenbeschichtung (ohne Stromsammler, wie Cu- Folie) wird zunächst Elektrolyt mit Tetrahydrofuran ausgewaschen. Anschließend wird die Probe sauer aufgeschlossen. Dazu werden 75 mg der so behan- delten Anodenbeschichtung in ein Mikrowellenaufschlussgefäß (100 ml TFM-Liner von Anton-Paar) überführt und mit 5 ml HN03 (65%ig, p.a.), 0,25 ml HCl (37%ig, p.a.) und 1 ml HF (40%ig, suprapur) versetzt. Das Mikrowellenaufschlussgefäß wird verschlossen, in ein Mikrowellengerät (Multiwave 3000 Anton Paar) gegeben und für 45 min bei 950 W behandelt. Der Aufschluss wird vollständig in 50 ml Tubes überführt und mit Wasser auf 50 ml aufgefüllt. Davon werden 0,50 ml entnommen, mit 2,50 ml 4%iger Borsäure versetzt und wieder auf 50 ml aufgefüllt (Verdünnung: Faktor 100} . Der prozentuale Si-Gewichtsanteil ω3ι wird bestimmt mittels ICP-OES (inductively coupled plasma) -Emissionspektro- metrie (Messgerät: Optima 7300 DV, Fa, Perkin Elmer; Probeneinführungssystem: Zerstäuber Meinhard mit Zyklonsprühkammer; Ka- librierbereich : 0,1 bis 20,0 mg/1 Si; Si-Standard-Stammlösung Certipur von Merck mit 1000 mg/1 Si (zertifiziert) ) . From a sample of completely delithiated porous anode coating (without current collector, such as Cu foil) is first washed out electrolyte with tetrahydrofuran. The sample is then acidified. For this purpose, 75 mg of the thus treated anode coating are transferred to a microwave digestion vessel (100 ml TFM liner from Anton Paar) and admixed with 5 ml HNO 3 (65% strength, pa), 0.25 ml HCl (37% strength, pa ) and 1 ml HF (40%, suprapur). The microwave digestion vessel is capped, placed in a microwave oven (Multiwave 3000 Anton Paar) and treated for 45 min at 950W. The digestion is transferred completely into 50 ml tubes and made up to 50 ml with water. Of these, 0.50 ml are removed, mixed with 2.50 ml of 4% boric acid and made up to 50 ml again (dilution: Factor 100}. The percent Si weight fraction ω 3 ι is determined by means of ICP-OES (inductively coupled plasma) emission spectrometry (measuring instrument: Optima 7300 DV, Fa, Perkin Elmer; sample introduction system: atomizer Meinhard with cyclone spray chamber; calibration range: 0.1 to 20.0 mg / 1 Si; standard Si stock Certipur from Merck with 1000 mg / 1 Si (certified)).
Die Reindichte PA des Aktivmaterials ist eine Materialkonstante. Die Reindichte pm beträgt allgemein: 2,3 g/cm3 für Silici- um; 5,77 g/cm3 für Zinn der Modifikation ) ; 7,27 g/cm3 für Zinn der Modifikation ß) ; und 11,34 g/cm3 für Blei. The true density P A of the active material is a material constant. The pure density p m is generally: 2.3 g / cm 3 for silicon; 5.77 g / cm 3 for tin of the modification); 7.27 g / cm 3 for tin of modification β); and 11.34 g / cm3 for lead.
Die Dichte der porösen Anodenbeschichtung pB kann bestimmt werden, indem zunächst das Gewicht der porösen Anodenbeschichtung gravimetrisch und die Dicke der porösen Anodenbeschichtung mit dem Messgerät digitale Messuhr Mitutoyo (1 μιτι bis 12,7 mm) mit Feinmesstisch bestimmt wird. Die Dichte der porösen Anodenbeschichtung pB ergibt sich dann durch Division des Gewichts der porösen Anodenbeschichtung durch die Dicke der porösen Anoden- beschichtung. The density of the porous anode coating p B can be determined by first determining the weight of the porous anode coating gravimetrically and the thickness of the porous anode coating with the measuring instrument Mitutoyo (1 μm to 12.7 mm) with precision measuring table. The density of the porous anode coating p B is then obtained by dividing the weight of the porous anode coating by the thickness of the porous anode coating.
Die angegebenen Werte für die Porosität und auch Formel I beziehen sich im Allgemeinen auf Elektrolyt-freie oder im Wesentlichen Elektrolyt-freie poröse Anodenbeschichtungen im delithi- ierten Zustand. The stated values for the porosity and also formula I generally relate to electrolyte-free or substantially electrolyte-free porous anode coatings in the delithiated state.
Im Folgenden sind beispielhaft für das Aktivmaterial Silicium Bereiche für die Dichten pB angegeben. In Alternative a) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,92 bis 2,31 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,99 bis 2,08 g/cm3. In the following, areas for the densities p B are given by way of example for the active material silicon. In alternative a), the porous anode coatings with silicon as active material have a density (p B ) of preferably 0.92 to 2.31 g / cm 3 and more preferably 0.99 to 2.08 g / cm 3 .
In Alternative al) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweiseIn alternative al), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably
1,08 bis 2,31 g/cm3 und besonders bevorzugt 1,17 bis 2,08 g/cm3. In Alternative a2 ) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,92 bis 1,92 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,99 bis 1,73 g/cm3. 1.08 to 2.31 g / cm 3, and more preferably 1.17 to 2.08 g / cm 3 . In alternative a2), the porous anode coatings have Silicon as the active material has a density (p B ) of preferably 0.92 to 1.92 g / cm 3 and particularly preferably 0.99 to 1.73 g / cm 3 .
In Alternative b) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweiseIn alternative b), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably
0,77 bis 1,96 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,84 bis 1,77 g/cm3. 0.77 to 1.96 g / cm 3 and more preferably 0.84 to 1.77 g / cm 3 .
In Alternative bl) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,89 bis 1,96 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,97 bis 1,77 g/cm3. In Alternative b2) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,77 bis 1,78 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,84 bis 1,60 g/cm3. In Alternative c) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,77 bis 1,84 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,83 bis 1,65 g/cm3. In alternative b1), the porous anode coatings with silicon as active material have a density (p B ) of preferably 0.89 to 1.96 g / cm 3 and more preferably 0.97 to 1.77 g / cm 3 . In alternative b2), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably from 0.77 to 1.78 g / cm 3, and more preferably from 0.84 to 1.60 g / cm 3 . In alternative c), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.77 to 1.84 g / cm 3, and more preferably 0.83 to 1.65 g / cm 3 .
In Alternative cl) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweiseIn alternative cl), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably
0,84 bis 1,84 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,91 bis 1,65 g/cm3. In Alternative c2) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,77 bis 1,75 g/cm3 und besonders bevorzugt 0,83 bis 1,57 g/cm3. 0.84 to 1.84 g / cm 3, and more preferably 0.91 to 1.65 g / cm 3 . In alternative c2), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.77 to 1.75 g / cm 3 and more preferably 0.83 to 1.57 g / cm 3 .
In Alternative d) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,92 bis 2,18 g/cm3, besonders bevorzugt 0,99 bis 1,96 g/cm3. In Alternative dl) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 1,08 bis 2,18 g/cm3, besonders bevorzugt 1,17 bis 1,96 g/cm3. In Alternative d2) haben die porösen Anodenbeschichtungen mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von vorzugsweise 0,92 bis 1,60 g/cm3, besonders bevorzugt 0,99 bis 1,44 g/cm3. In alternative d), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.92 to 2.18 g / cm 3 , particularly preferably 0.99 to 1.96 g / cm 3 . In alternative dl), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably from 1.08 to 2.18 g / cm 3 , more preferably from 1.17 to 1.96 g / cm 3 . In alternative d2), the porous anode coatings with silicon as the active material have a density (p B ) of preferably 0.92 to 1.60 g / cm 3 , particularly preferably 0.99 to 1.44 g / cm 3 .
Die volumetrische Kapazität der porösen Anodenbeschichtungen ist zugänglich, indem die im Vorhergehenden beschriebene flä- chenbezogene Delithiierungs-Kapazitat ß durch die Dicke der porösen Anodenbeschichtung dividiert wird. Die Dicke der porösen Anodenbeschichtung kann mit dem Messgerät digitale Messuhr Mitutoyo (1 \im bis 12,7 mm) mit Feinmesstisch bestimmt werden. The volumetric capacity of the porous anode coatings is accessible by the use of the above-described chen-related delithiation capacity ß divided by the thickness of the porous anode coating. The thickness of the porous anode coating can be determined with the measuring instrument digital gauge Mitutoyo (1 \ im to 12.7 mm) with precision measuring table.
Die volumetrische Kapazität beträgt vorzugsweise 900 mAh/cm3, besonders bevorzugt ^ 1000 mAh/cm3 und am meisten bevorzugt ^ 1100 mAh/cm3. In Alternative a) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise mindestens 800 bis 1986 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 850 bis 1788 mAh/cm3. The volumetric capacity is preferably 900 mAh / cm 3 , more preferably 1000 1000 mAh / cm 3, and most preferably 11 1100 mAh / cm 3 . In alternative a) the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 800 to 1986 mAh / cm 3 and more preferably 850 to 1788 mAh / cm 3 .
In Alternative al) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 800 bis 1752 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 850 bis 1577 mAh/cm3. In Alternative a2) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 928 bis 1986 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 1006 bis 1788 mAh/cm3. In alternative al), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 800 to 1752 mAh / cm 3, and more preferably 850 to 1577 mAh / cm 3 . In alternative a2), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 928 to 1986 mAh / cm 3, and more preferably 1006 to 1788 mAh / cm 3 .
In Alternative b) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise mindestens 842 bis 2112 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 912 bis 1901 mAh/cm3. In Alternative bl) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 842 bis 1950 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 912 bis 1755 mAh/cm3. In Alternative b2) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 927 bis 2112 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 1004 bis 1901 mAh/cm3. In alternative b), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 842 to 2112 mAh / cm 3, and more preferably 912 to 1901 mAh / cm 3 . In alternative bl), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably from 842 to 1950 mAh / cm 3 and particularly preferably from 912 to 1755 mAh / cm 3. In alternative b2), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 927 to 2112 mAh / cm 3, and more preferably 1004 to 1901 mAh / cm 3 .
In Alternative c) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise mindestens 806 bis 2018 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 873 bis 1817 mAh/cm3. In alternative c), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 806 to 2018 mAh / cm 3, and more preferably 873 to 1817 mAh / cm 3 .
In Alternative cl) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 806 bis 1933 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 873 bis 1740 mAh/cm3. In Alternative c2) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 834 bis 2018 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 904 bis 1817 mAh/cm3. In alternative cl), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 806 to 1933 mAh / cm 3, and more preferably 873 to 1740 mAh / cm 3 . In alternative c2), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 834 to 2018 mAh / cm 3, and more preferably 904 to 1817 mAh / cm 3 .
In Alternative d) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise mindestens 805 bis 1986 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 872 bis 1788 mAh/cm3. In alternative d), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably at least 805 to 1986 mAh / cm 3, and more preferably 872 to 1788 mAh / cm 3 .
In Alternative dl) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 805 bis 1752 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 872 bis 1577 mAh/cm3. In Alternative d2) haben die porösen Anodenbeschichtungen eine volumetrische Kapazität von vorzugsweise 1189 bis 1986 mAh/cm3 und besonders bevorzugt 1288 bis 1788 mAh/cm3. In alternative dl), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 805 to 1752 mAh / cm 3, and more preferably 872 to 1577 mAh / cm 3 . In alternative d2), the porous anode coatings have a volumetric capacity of preferably 1189 to 1986 mAh / cm 3, and more preferably 1288 to 1788 mAh / cm 3 .
Die Aktivmaterial enthaltenden Partikel bestehen zu vorzugsweise mindestens 95 Gew.-% und besonders bevorzugt mindestens 97 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterial enthaltenden Partikel, aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium (Si) , Zinn (Sn) und Blei (Pb) . Am meisten bevorzugt bestehen die Aktivmaterial enthaltenden Partikel ausschließlich aus Aktivmaterial. The active material-containing particles are preferably at least 95 wt .-% and particularly preferably at least 97 wt .-%, based on the total weight of the active material-containing particles, of an element selected from the group comprising silicon (Si), tin (Sn) and Lead (Pb). Most preferably, the active material-containing particles consist exclusively of active material.
Die Aktivmaterial enthaltenden Partikel sind vorzugsweise keine porösen Komposite. In porösen Kompositen sind Aktivmaterialien üblicherweise in eine Matrix eingebracht. Die Matrix kann beispielsweise auf Kohlenstoff basieren. Die Matrix enthält im Allgemeinen Poren, die die Volumenänderungen des Aktivmaterials beim Einlagern von Lithium zumindest teilweise aufnehmen sollen. Die Matrix kann zusätzlich beschichtet sein, beispielsweise mit Kohlenstoff oder Polymeren. The active material-containing particles are preferably not porous composites. In porous composites, active materials are usually incorporated into a matrix. The matrix can be based on carbon, for example. The matrix generally contains pores intended to at least partially accommodate the volume changes of the active material upon incorporation of lithium. The matrix may additionally be coated, for example with carbon or polymers.
Bevorzugtes Aktivmaterial ist Silicium. Die Anodenbeschichtungen enthalten vorzugsweise Siliciumpartikel . Preferred active material is silicon. The anode coatings preferably contain silicon particles.
Im Folgenden sind beispielhaft für das Aktivmaterial Silicium weitere Parameter, wie Partikelgrößenverteilungen, angegeben. Die volumengewichtete Partikelgroßenverteilung der Siliciumpartikel liegt vorzugsweise zwischen den Durchmesser-Perzentilen dio ^ 0,2 pm und d90 ^ 20,0 pm, besonders bevorzugt zwischen di0 ^ 0,2 pm und d90 ^ 10,0 pm und am meisten bevorzugt zwischen di0 ^ 0,2 pm bis d90 ^ 5,0 pm. Die Siliciumpartikel haben eine volumengewichtete Partikelgroßenverteilung mit Durchmesser-Perzentilen dio von vorzugsweise ^ 10 pm, besonders bevorzugt ^ 5 pm, noch mehr bevorzugt ^ 3 pm und am meisten bevorzugt -S 1 pm. Die Siliciumpartikel haben eine volumengewichtete Partikelgrößen- Verteilung mit Durchmesser-Perzentilen d90 von vorzugsweise ^Below, by way of example, further parameters, such as particle size distributions, are given for the active material silicon. The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles is preferably between the diameter percentiles of ^ 0.2 pm and d 90 20 20.0 pm, more preferably between 0 0 0,2 0.2 pm and d 90 10 10.0 pm, and most preferably between di 0 ^ 0.2 pm to d 90 ^ 5.0 pm. The silicon particles have a volume weighted particle size distribution with diameter percentiles preferably <10 pm, more preferably> 5 pm, even more preferably> 3 pm and most preferably <1 pm. The silicon particles have a volume-weighted particle size distribution with diameter percentiles d 90 of preferably.
0,5 pm. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der vorgenannte d90- ert vorzugsweise 5 pm. 0.5 pm. In one embodiment of the present invention, the aforementioned d 90 - ert is preferably 5 pm.
Die volumengewichtete Partikelgroßenverteilung der Siliciumpar- tikel hat eine Breite d90-di0 von vorzugsweise -S 15,0 pm, mehr bevorzugt ^ 12,0 pm, noch mehr bevorzugt ^ 10,0 pm, besonders bevorzugt ^ 8,0 pm und am meisten bevorzugt ^ 4,0 pm. Die volumengewichtete Partikelgroßenverteilung der Siliciumpartikel hat eine Breite d90-di0 von vorzugsweise ^ 0,6 pm, besonders bevor- zugt ^ 0,8 pm und am meisten bevorzugt > 1,0 pm. The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles has a width d 90 -di 0 of preferably -S 15.0 pm, more preferably ^ 12.0 pm, even more preferably ^ 10.0 pm, more preferably ^ 8.0 pm and am most preferably ^ 4.0 pm. The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles has a width d 90 -di 0 of preferably 0,6 0.6 μm, more preferably 0,8 0.8 μm, and most preferably 1,0 1.0 μm.
Die volumengewichtete Partikelgroßenverteilung der Siliciumpartikel weist Durchmesser-Perzentilen d50 von vorzugsweise 0,5 bis 10,0 pm, besonders bevorzugt 0,6 bis 7,0 pm, noch mehr bevor- zugt 2,0 bis 6,0 pm und am meisten bevorzugt 0,7 bis 3,0 pm auf . The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles has diameter percentiles d 50 of preferably 0.5 to 10.0 μm, more preferably 0.6 to 7.0 μm, even more preferably 2.0 to 6.0 μm, and most preferably 0.7 to 3.0 pm.
Das Zweifache bis Fünffache, insbesondere das Zweifache bis Dreifache der vorgenannten d50-Werte ist vorzugsweise kleiner als die Schichtdicke der Anodenbeschichtung . Die Schichtdicke der Anodenbeschichtung ist weiter unten angegeben .. Diese Maßgabe ist hilfreich, um Überkorn praktisch auszuschließen. Twice to five times, in particular two to three times the aforementioned d 50 values is preferably smaller than the layer thickness of the anode coating. The layer thickness of the anode coating is given below. This proviso is helpful in virtually eliminating oversize grain.
Die volumengewichtete Partikelgroßenverteilung der Siliciumpar- tikel ist bestimmbar durch statische Laserstreuung unter Anwendung des Mie-Modells mit dem Messgerät Horiba LA 950 mit Ethanol als Dispergiermedium für die Siliciumpartikel. Die volumengewichtete Partikelgrößenverteilung der Siliciumpartikel ist vorzugsweise monomodal. Die volumengewichtete Partikelgrößenverteilung der Siliciumpartikel ist im Allgemeinen eng, wie aus den d10- oder d90-Werten sowie d90-d10-Werten zu er- sehen ist. The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles can be determined by static laser scattering using the Mie model with the Horiba LA 950 measuring instrument with ethanol as the dispersing medium for the silicon particles. The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles is preferably monomodal. The volume-weighted particle size distribution of the silicon particles is generally narrow, as can be seen from the d 10 or d 90 values and d 90 -d 10 values.
Die Siliciumpartikel sind vorzugsweise nicht aggregiert, besonders bevorzugt nicht agglomeriert und/oder nicht nanostruktu- riert . Aggregiert bedeutet, dass sphärische oder weitestgehend sphärische Primärpartikel, wie sie beispielsweise zunächst in Gasphasenprozessen bei der Herstellung der Siliciumpartikel gebildet werden, im weiteren Reaktionsverlauf des Gasphasenprozesses zu Aggregaten zusammenwachsen. Diese Aggregate können im weiteren Reaktionsverlauf Agglomerate bilden. Agglomerate sind eine lose Zusammenballung von Aggregaten. Agglomerate können mit typischerweise eingesetzten Knet- und Dispergierverfahren leicht wieder in die Aggregate aufgespalten werden. Aggregate lassen sich mit diesen Verfahren nicht oder nur in geringem Umfang in die Primärpartikel zerlegen. Aggregate und Agglomerate haben auf Grund ihrer Entstehung zwangsläufig ganz andere Sphä- rizitäten und Kornformen als die bevorzugten Siliciumpartikel. Das Vorliegen von Siliciumpartikeln in Form von Aggregaten oder Agglomeraten kann beispielsweise mittels herkömmlicher Raster- Elektronen-Mikroskopie (REM) sichtbar gemacht werden. Statische Lichtstreuungsmethoden zur Bestimmung der Teilchengrößenverteilungen oder Partikeldurchmessern von Siliciumpartikeln können dagegen nicht zwischen Aggregaten oder Agglomeraten unterscheiden . Nicht nanostrukturierte Siliciumpartikel haben im Allgemeinen charakteristische BET-Oberflächen . Die BET-Oberflächen der Siliciumpartikel betragen vorzugsweise 0,01 bis 30,0 m2/g, mehr bevorzugt 0,1 bis 25,0 m2/g, besonders bevorzugt 0,2 bis 20,0 m2/g und am meisten bevorzugt 0,2 bis 18,0 m2/g. Die BET-Ober- fläche wird gemäß DIN 66131 (mit Stickstoff) bestimmt. The silicon particles are preferably not aggregated, particularly preferably not agglomerated and / or not nanostructured. Aggregated means that spherical or largely spherical primary particles, such as those initially formed in gas phase processes during the production of the silicon particles, grow together in the further course of the gas phase process to form aggregates. These aggregates can form agglomerates in the further course of the reaction. Agglomerates are a loose aggregate of aggregates. Agglomerates can be easily split again into the aggregates using typically used kneading and dispersing processes. Aggregates can not be decomposed with these methods or only to a small extent into the primary particles. Due to their formation, aggregates and agglomerates inevitably have completely different spheres and grain shapes than the preferred silicon particles. The presence of silicon particles in the form of aggregates or agglomerates can be made visible for example by means of conventional scanning electron microscopy (SEM). By contrast, static light scattering methods for determining the particle size distributions or particle diameters of silicon particles can not distinguish between aggregates or agglomerates. Non-nanostructured silicon particles generally have characteristic BET surfaces. The BET surface areas of the silicon particles are preferably 0.01 to 30.0 m 2 / g, more preferably 0.1 to 25.0 m 2 / g, particularly preferably 0.2 to 20.0 m 2 / g and most preferably 0.2 to 18.0 m 2 / g. The BET surface area is determined according to DIN 66131 (with nitrogen).
Die Siliciumpartikel haben eine Sphärizität von vorzugsweise 0,3 < ψ < 0,9, besonders bevorzugt 0,5 ^ ψ ^ 0,85 und am meis- ten bevorzugt 0,65 < ψ < 0,85. Siliciumpartikel mit solchen Sphärizitäten werden insbesondere durch Herstellung mittels Mahlprozessen zugänglich. Die Sphärizität ψ ist das Verhältnis aus der Oberfläche einer Kugel gleichen Volumens zur tatsächli- chen Oberfläche eines Körpers (Definition von adell) . Sphärizitäten können beispielsweise aus herkömmlichen REM-Auf ahmen ermittelt werden. The silicon particles have a sphericity of preferably 0.3 ≦ 0.9, more preferably 0.5 ≦ 0.85 and most commonly preferably 0.65 <ψ <0.85. Silicon particles having such sphericities become accessible in particular by production by means of milling processes. The sphericity ψ is the ratio of the surface of a sphere of equal volume to the actual surface of a body (definition of adell). Sphericities can be determined, for example, from conventional REM images.
Die Siliciumpartikel können aus elementarem Silicium, einem Si- liciumoxid oder einer binären, ternären oder multinären Silici- um/Metall-Legierung (mit beispielsweise Li, Na, K, Sn, Ca, Co, Ni, Cu, Cr, Ti, AI, Fe) bestehen. Bevorzugt wird elementares Silicium eingesetzt, insbesondere da dieses eine vorteilhaft hohe Speicherkapazität für Lithium-Ionen aufweist. The silicon particles may consist of elemental silicon, a silicon oxide or a binary, ternary or multinary silicon / metal alloy (with, for example, Li, Na, K, Sn, Ca, Co, Ni, Cu, Cr, Ti, Al, Fe) exist. Preference is given to using elemental silicon, in particular since this has an advantageously high storage capacity for lithium ions.
Unter elementarem Silicium ist hochreines Polysilicium, mit geringem Anteil an Fremdatomen (wie beispielsweise B, P, As), gezielt mit Fremdatomen dotiertes Silicium (wie beispielsweise B, P, As) , aber auch Silicium aus metallurgischer Verarbeitung, welches elementare Verunreinigung (wie beispielsweise Fe, AI, Ca, Cu, Zr, C) aufweisen kann, zu verstehen. Under elemental silicon is highly pure polysilicon, with a low proportion of impurities (such as B, P, As), specifically doped with impurity silicon (such as B, P, As), but also metallurgical silicon, which elemental contamination (such as Fe, Al, Ca, Cu, Zr, C).
Falls die Siliciumpartikel ein Siliciumoxid enthalten, dann liegt die Stöchiometrie des Oxids SiOx bevorzugt im Bereich 0 < x < 1,3. Falls die Siliciumpartikel ein Siliciumoxid mit höherer Stöchiometrie enthalten, dann ist dessen Schichtdicke auf der Oberfläche bevorzugt kleiner als 10 nm. If the silicon particles contain a silicon oxide, then the stoichiometry of the oxide SiO x is preferably in the range 0 <x <1.3. If the silicon particles contain a silicon oxide with a higher stoichiometry, then its layer thickness on the surface is preferably less than 10 nm.
Die Oberfläche der Siliciumpartikel kann gegebenenfalls durch eine Oxidschicht oder durch andere anorganische und organische Gruppen abgedeckt sein. Besonders bevorzugte Siliciumpartikel tragen auf der Oberfläche Si-OH- oder Si-H-Gruppen oder kova- lent angebundene organische Gruppen, wie beispielsweise Alkoxy- oder Alkylgruppen . Durch die organischen Gruppen kann beispielsweise die Oberflächenspannung der Siliciumpartikel gesteuert werden und insbesondere an die Lösemittel oder Binde- mittel angepasst werden, die gegebenenfalls bei der Herstellung der Anodenbeschichtungen eingesetzt werden. The surface of the silicon particles may optionally be covered by an oxide layer or by other inorganic and organic groups. Particularly preferred silicon particles carry on the surface Si-OH or Si-H groups or covalently attached organic groups, such as alkoxy or alkyl groups. The organic groups can be used, for example, to control the surface tension of the silicon particles and, in particular, to control the solvents or binders. be adjusted if necessary, which are used in the production of anode coatings.
Der Aktivmaterialanteil, insbesondere der Siliciumanteil , in einer porösen Anodenbeschichtung liegt vorzugsweise zwischen 40 Gew.-% und 95 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 50 Gew.-% und 90 Gew.-% und am meisten bevorzugt zwischen 60 Gew.-% und 85 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung . The proportion of active material, in particular the silicon content, in a porous anode coating is preferably between 40% by weight and 95% by weight, more preferably between 50% by weight and 90% by weight and most preferably between 60% by weight. and 85% by weight based on the total weight of the porous anode coating.
Die Siliciumpartikel können beispielsweise durch Mahlprozesse hergestellt werden. Durch Mahlprozesse sind Siliciumpartikel mit den bevorzugten Eigenschaften zugänglich, beispielsweise mit vorteilhaften Sphärizitäten, wie den in der Anwendung vor- teilhaften Bruchflächen, insbesondere scharfkantigen Bruchflächen, oder beispielsweise splitterförmige Siliciumpartikel. Auch die erfindungswesentlichen Partikelgrößenverteilungen der Siliciumpartikel und nicht-aggregierte Siliciumpartikel sind durch Mahlprozesse sehr gut zugänglich. The silicon particles can be produced, for example, by milling processes. By grinding processes, silicon particles having the preferred properties are obtainable, for example with advantageous sphericity, such as fracture surfaces which are advantageous in the application, in particular sharp-edged fracture surfaces, or, for example, splinter-shaped silicon particles. The particle size distributions of the silicon particles which are essential to the invention and non-aggregated silicon particles are also very easily accessible by milling processes.
Als Mahlprozesse kommen beispielsweise Trocken- oder Nassmahlprozesse in Betracht. Hierbei werden vorzugsweise Planetenkugelmühlen, Strahlmühlen, wie Gegenstrahl oder Prallmühlen, oder Rührwerkskugelmühlen eingesetzt. As milling processes, for example, dry or wet grinding processes come into consideration. In this case, preferably planetary ball mills, jet mills, such as counter-jet or impact mills, or stirred ball mills are used.
Die Vermahlung in der Strahlmühle erfolgt bevorzugt mit Stickstoff oder Edelgasen, wie bevorzugt Argon, als Mahlgas. Die Strahlmühlen weisen bevorzugt einen integrierten Windsichter auf, der statisch oder dynamisch ausgebildet sein kann, oder sie werden im Kreislauf mit einem externen Windsichter betrieben . The grinding in the jet mill is preferably carried out with nitrogen or noble gases, preferably argon, as the grinding gas. The jet mills preferably have an integrated air classifier, which may be static or dynamic, or they are operated in the circuit with an external air classifier.
Für das Mahlen zur Herstellung der Siliciumpartikel in Suspen- sion können ein oder mehrere organische oder anorganische Flüssigkeiten oder flüssige Gemische verwendet werden. Vorzugsweise haben solche Flüssigkeiten oder flüssigen Gemische bei Raumtemperatur eine Viskosität von bevorzugt unter 100 mPas und beson- ders bevorzugt unter 10 mPas . Bevorzugt sind die Flüssigkeiten oder flüssigen Gemische inert oder schwach reaktiv gegenüber Silicium. Besonders bevorzugt ist die Flüssigkeit organisch und enthält weniger als 5 Gew.-% Wasser, besonders bevorzugt weni- ger als 1 Gew.-% Wasser. Als organische Flüssigkeiten sind Kohlenwasserstoffe, Ester oder insbesondere Alkohole bevorzugt. Die Alkohole enthalten vorzugsweise 1 bis 7 und besonders bevorzugt 2 bis 5 Kohlenstoffatome . Beispiele für Alkohole sind Methanol, Ethanol, Propanol und Butanol . Bevorzugt sind Ethanol und 2 -Propanol. Kohlenwasserstoffe enthalten vorzugsweise 5 bis 10 und besonders bevorzugt 6 bis 8 Kohlenstoffatome . Kohlenwasserstoffe können beispielsweise aliphatisch oder aromatisch sein. Beispiele für Kohlenwasserstoffe sind Toluol und Heptan. Bei Estern handelt es sich im Allgemeinen um Ester von Carbon- säuren und Alkylalkoholen, wie beispielsweise Ethylacetat . For milling to produce the silicon particles in suspension, one or more organic or inorganic liquids or liquid mixtures may be used. Preferably, such liquids or liquid mixtures at room temperature have a viscosity of preferably below 100 mPas and in particular ders preferred below 10 mPas. Preferably, the liquids or liquid mixtures are inert or slightly reactive towards silicon. The liquid is particularly preferably organic and contains less than 5% by weight of water, more preferably less than 1% by weight of water. As organic liquids, hydrocarbons, esters or, in particular, alcohols are preferred. The alcohols preferably contain 1 to 7 and more preferably 2 to 5 carbon atoms. Examples of alcohols are methanol, ethanol, propanol and butanol. Preferred are ethanol and 2-propanol. Hydrocarbons preferably contain 5 to 10 and more preferably 6 to 8 carbon atoms. Hydrocarbons may be, for example, aliphatic or aromatic. Examples of hydrocarbons are toluene and heptane. Esters are generally esters of carboxylic acids and alkyl alcohols, such as ethyl acetate.
Bei der Herstellung der Siliciumpartikel durch Na vermahlung in einer Suspension werden vorzugsweise Mahlkörper verwendet, deren mittlerer Durchmesser 10 bis 1000 mal größer ist als der d90-Wert der Verteilung des eingesetzten Mahlguts . Besonders bevorzugt sind Mahlkörper, deren mittlerer Durchmesser 20 bis 200-mal größer ist als der d90-Wert der Ausgangsverteilung des Mahlguts . Die porösen Anodenbeschichtungen basieren vorzugsweise auf einer Abmischung umfassend mindestens einem Aktivmaterial in Form von Partikel, insbesondere Siliciumpartikeln, einem oder mehreren Bindemitteln, gegebenenfalls Graphit, gegebenenfalls einer oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten und ge- gebenenfalls einem oder mehreren Additiven. In the preparation of the silicon particles by Na milling in a suspension grinding media are preferably used whose average diameter is 10 to 1000 times greater than the d 90 value of the distribution of the millbase used. Particularly preferred are grinding media whose average diameter is 20 to 200 times greater than the d 90 value of the initial distribution of the millbase. The porous anode coatings are preferably based on a mixture comprising at least one active material in the form of particles, in particular silicon particles, one or more binders, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive components and optionally one or more additives.
Durch die weiteren elektrisch leitenden Komponenten in den porösen Anodenbeschichtungen können die Übergangswiderstände innerhalb einer porösen Anodenbeschichtung und zwischen poröser Anodenbeschichtung und Stromsammler reduziert werden, was die Strombelastbarkeit der Lithium- Ionen-Batterie verbessert. Bevorzugte weitere elektrisch leitende Komponenten sind Leitruß, Kohlenstoff-Nanoröhrcheri oder metallische Partikel, beispielsweise Kupfer. The further electrically conductive components in the porous anode coatings can reduce the contact resistances within a porous anode coating and between porous anode coating and current collector, which improves the current-carrying capacity of the lithium-ion battery. Preferred further electrically conductive components are conductive black, Carbon nanotube or metallic particles, for example copper.
Eine poröse Anodenbeschichtung enthält vorzugsweise 0 bis 40 Gew.-%, besonders bevorzugt 0 bis 30 Gew.-% und am meisten bevorzugt 0 bis 20 Gew.-% an einer oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung. Bevorzugte Bindemittel sind Polyacrylsaure oder deren Alkali-, insbesondere Lithium- oder Natrium-Salze, Polyvinylalkohole , Cellulose oder Cellulosederivate , Polyvinylidenfluorid, Poly- tetrafluorethylen, Polyolefine, Polyimide, insbesondere Poly- amidimide, oder thermoplastische Elastomere, insbesondere Ethy- len-Propylen-Dien-Terpolymere . Besonders bevorzugt sind Polyacrylsaure, Polymethacrylsäure oder Cellulose-Derivate, insbesondere Carboxymethylcellulose . Besonders bevorzugt sind auch die Alkali-, insbesondere Lithium- oder Natrium-Salze, der vorgenannten Bindemittel. Am meisten bevorzugt sind die Alkali-Sal- ze, insbesondere Lithium- oder Natrium-Salze, der Polyacrylsaure oder der Polymethacrylsäure. Es können sämtliche oder vorzugsweise ein Anteil der Säure-Gruppen eines Bindemittels in Form von Salzen vorliegen. Die Bindemittel haben eine Molmasse von vorzugsweise 100.000 bis 1.000.000 g/mol. Es können auch Gemische von zwei oder mehr Bindemitteln eingesetzt werden. A porous anode coating preferably contains 0 to 40 wt%, more preferably 0 to 30 wt%, and most preferably 0 to 20 wt% of one or more other electrically conductive components, based on the total weight of the porous anode coating. Preferred binders are polyacrylic acid or its alkali metal salts, in particular lithium or sodium salts, polyvinyl alcohols, cellulose or cellulose derivatives, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyolefins, polyimides, in particular polyamido-imides, or thermoplastic elastomers, in particular ethylene-propylene-diene Terpolymers. Particularly preferred are polyacrylic acid, polymethacrylic acid or cellulose derivatives, in particular carboxymethylcellulose. Particular preference is also the alkali, especially lithium or sodium salts, the aforementioned binder. Most preferred are the alkali salts, especially lithium or sodium salts, polyacrylic acid or polymethacrylic acid. It may be present all or preferably a portion of the acid groups of a binder in the form of salts. The binders have a molecular weight of preferably 100,000 to 1,000,000 g / mol. It is also possible to use mixtures of two or more binders.
Als Graphit kann allgemein natürlicher oder synthetischer Graphit eingesetzt werden. Die Graphitpartikel haben bevorzugt eine volumengewichtete Partikelgrößenverteilung zwischen den Durchmesser-Perzentilen di0 > 0,2 pm und d90 < 200 μτη. As graphite, generally natural or synthetic graphite can be used. The graphite particles preferably have a volume-weighted particle size distribution between the diameter percentiles di 0 > 0.2 pm and d 90 <200 μτη.
Beispiele für Additive sind Porenbildner, Dispergiermittel, Verlaufsmittels oder Dotiermittel, beispielsweise elementares Lithium . Examples of additives are pore formers, dispersants, leveling agents or dopants, for example elemental lithium.
Bevorzugte Rezepturen zur Herstellung von porösen Anodenbe- schichtungen enthalten vorzugsweise 5 bis 95 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 85 Gew.-% Aktivmaterial, insbesondere Siliciumpar- tikel; 0 bis 40 Gew.-%, insbesondere 0 bis 20 Gew.-% weitere elektrisch leitende Komponenten; 0 bis 80 Gew.-%, insbesondere 5 bis 30 Gew.-% Graphit; 0 bis 25 Gew.-%, insbesondere 5 bis 15 Gew.- Bindemittel; und gegebenenfalls 0 bis 80 Gew.-%, insbe- sondere 0,1 bis 5 Gew.-% Additive; wobei sich die Angaben in Gew.-% auf das Gesamtgewicht der Rezeptur beziehen und sich die Anteile aller Bestandteile der Rezeptur auf 100 Gew.-% aufsummieren . In einer bevorzugten Rezeptur zur Herstellung der porösen Ano- denbeschichtungen ist der Anteil von Graphitpartikeln und weiteren elektrisch leitenden Komponenten in Summe mindestens 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Rezeptur. Die Verarbeitung der Bestandteile der Rezeptur zu einer Anodentinte bzw. -paste kann beispielsweise in einem Lösungsmittel, wie Wasser, Hexan, Toluol, Tetrahydrofuran, N-Methylpyrrolidon, N-Ethylpyrrolidon, Aceton, Ethylacetat, Dimethylsulfoxid, Dime- thylacetamid oder Ethanol, oder Lösungsmittelgemischen Vorzugs- weise unter Verwendung von Rotor-Stator-Maschinen, Hochenergiemühlen, Planetenknetern, Rührwerkskugelmühlen, Rüttelplatten oder Ultraschallgeräten erfolgen. Preferred formulations for the production of porous anode coatings contain preferably 5 to 95% by weight, preferably 60 to 85% by weight, of active material, in particular siliconpar- Tikel; 0 to 40 wt .-%, in particular 0 to 20 wt .-% further electrically conductive components; 0 to 80 wt .-%, in particular 5 to 30 wt .-% graphite; 0 to 25% by weight, in particular 5 to 15% by weight, of binder; and optionally 0 to 80 wt .-%, in particular 0.1 to 5 wt .-% additives; where the data in% by weight relate to the total weight of the formulation and the proportions of all constituents of the formulation add up to 100% by weight. In a preferred formulation for producing the porous anode coatings, the proportion of graphite particles and further electrically conductive components is at least 10% by weight, based on the total weight of the formulation. The processing of the constituents of the formulation into an anode ink or paste can be carried out, for example, in a solvent such as water, hexane, toluene, tetrahydrofuran, N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrrolidone, acetone, ethyl acetate, dimethyl sulfoxide, dimethylacetamide or ethanol, or solvent mixtures Preferably using rotor-stator machines, high energy mills, planetary kneaders, agitator ball mills, vibrating plates or ultrasonic devices.
Die Anodentinte bzw. -paste weist einen pH-Wert auf von vor- zugsweise 2 bis 7,5 (bestimmt bei 20°C, beispielsweise mit dem pH-Meter von WTW pH 3 Oi mit Sonde SenTix RJD) . The anode ink or paste has a pH of preferably 2 to 7.5 (determined at 20 ° C, for example with the pH meter of WTW pH 3 Oi with probe SenTix RJD).
Die Anodentinte oder -paste kann beispielsweise auf eine Kupferfolie oder einen anderen Stromsammler aufgeräkelt werden. Andere Beschichtungsverfahren, wie z.B. Rotationsbeschichtung (Spin-Coating) , Rollen-, Tauch- oder Schlitzdüsenbeschichtung, Streichen oder Sprühen, können ebenso verwendet werden. For example, the anode ink or paste may be strung on a copper foil or other current collector. Other coating methods, such as e.g. Spin-coating, roller, dip or slot die coating, brushing or spraying can also be used.
Die so erhaltenen Beschichtungen können bei Raumtemperatur oder vorzugsweise bei erhöhter Temperatur getrocknet werden. Die Trocknungstemperatur richtet sich wie üblich nach den eingesetzten Komponenten und dem verwendeten Lösungsmittel. Die Trocknungstemperatur liegt bevorzugt zwischen 20°C und 300°C, besonders bevorzugt zwischen 50°C und 180°C. Die Trocknungstemperatur sollte vorzugsweise niedriger als die Glasübergangstemperatur oder der Fließpunkt von Bestandteilen der Anodenbe- schichtung sein. Das Trocknen kann unter reduziertem Druck oder vorzugsweise bei Umgebungsdruck durchgeführt werden. Es können gängige Vorrichtungen Einsatz finden, wie beispielsweise Bandtrockner, Schwebetrockner, Luftstromtrockner, wie Heißgastrockner oder Warmgastrockner, oder IR-Trockner. Das Trocknen kann also in an sich herkömmlicher Weise erfolgen. Im Allgemeinen wird bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. The coatings thus obtained can be dried at room temperature or preferably at elevated temperature. The drying temperature depends, as usual, on the components used and the solvent used. The drying temperature is preferably between 20 ° C and 300 ° C, more preferably between 50 ° C and 180 ° C. The drying temperature should preferably be lower than the glass transition temperature or the pour point of constituents of the anode coating. The drying may be carried out under reduced pressure or, preferably, at ambient pressure. Common devices can be used, such as belt dryers, suspended dryers, air flow dryers, such as hot gas dryers or hot gas dryers, or IR dryers. The drying can thus be done in a conventional manner. Generally it is dried to constant weight.
Anodentinten oder -pasten mit niedrigerem Gehalt an Lösungsmitteln beziehungsweise hohem Feststoffanteil ergeben im Allgemeinen Beschichtungen mit niedrigerer Porosität; ein höherer Ge- halt an Lösungsmitteln beziehungsweise ein niedriger Feststoffanteil führt allgemein zu einer höheren Porosität. Lower solvent or high solids content anode inks or pastes generally result in lower porosity coatings; a higher content of solvents or a low solids content generally leads to a higher porosity.
Die so erhaltenen Beschichtungen können weiterbehandelt werden. Dies kann zum Erhalten der erfindungsgemäßen Porosität φ oder zu sonstigen Zwecken dienlich sein. Beispielsweise können die Beschichtungen verdichtet werden. Dazu können an sich bekannte Vorrichtungen und Verfahren Einsatz finden, wie Kalandrieren oder Verpressen. Das Verdichten kann bei Raumtemperatur oder auch bei erhöhten Temperaturen erfolgen. Die gewählte Tempera- tur sollte vorzugsweise niedriger als die Glasübergangstemperatur oder der Fließpunkt von Bestandteilen der Anodenbeschich- tung sein. The coatings thus obtained can be further treated. This may be useful for obtaining the porosity φ according to the invention or for other purposes. For example, the coatings can be compacted. For this purpose, known devices and methods can be used, such as calendering or pressing. The compression can be carried out at room temperature or at elevated temperatures. The selected temperature should preferably be lower than the glass transition temperature or the pour point of constituents of the anode coating.
Der Fachmann kann die Bedingungen für die Trocknung und das et- waige Verdichten an Hand weniger orientierender Vorversuche unter Anwendung herkömmlicher Methoden ermitteln. The person skilled in the art can determine the conditions for the drying and the possible compacting by means of less orienting preliminary tests using conventional methods.
Die Schichtdicke, das heißt die Trockenschichtdicke der porösen Anodenbeschichtung ist bevorzugt 2 μπι bis 500 um, besonders be- vorzugt von 10 μπι bis 300 μτη. The layer thickness, that is to say the dry layer thickness of the porous anode coating, is preferably 2 .mu.m to 500 .mu.m, more preferably from 10 .mu.m to 300 .mu.m.
Eine Lithium- Ionen-Batterie umfasst im Allgemeinen eine erste Elektrode als Kathode, eine zweite Elektrode als Anode, eine zwischen beiden Elektroden angeordnete Membran als Separator, zwei elektrisch leitende Anschlüsse an den Elektroden, ein die genannten Teile aufnehmendes Gehäuse sowie einen Lithium- Ionen enthaltenden Elektrolyten, mit dem der Separator und die beiden Elektroden getränkt sind, wobei ein Teil der zweiten Elektrode die erfindungsgemäße Anode mit der porösen Anodenbeschichtung enthält . A lithium-ion battery generally comprises a first electrode as a cathode, a second electrode as an anode, a membrane arranged as a separator between the two electrodes, two electrically conductive connections on the electrodes, a housing accommodating said parts and an electrolyte containing lithium ions, with which the separator and the two electrodes are impregnated, wherein a part of the second electrode is the anode according to the invention containing the porous anode coating.
Erfindungsgemäße Anoden können mit weiteren herkömmlichen Stof- fen und Materialien nach bekannten Verfahren zu Lithium-Ionen- Batterien verarbeitet werden, analog wie beispielsweise in der WO 2015/117838 beschrieben. Anodes according to the invention can be processed with other conventional materials and materials by known methods into lithium-ion batteries, analogously as described, for example, in WO 2015/117838.
Vorteilhafterweise werden erfindungsgemäß Lithium-Ionen- Batterien mit Aktivmaterial, wie Zinn, Blei und insbesondereAdvantageously, according to the invention lithium-ion batteries with active material, such as tin, lead and in particular
Silicium, zugänglich, die hohe volumetrische Kapazitäten besitzen und zudem auch nach Be- und Entladezyklen ein stabiles elektrochemisches Verhalten zeigen und somit eine hohe reversible Kapazität aufweisen. Die erfindungsgemäßen Lithium-Ionen- Batterien sind also durch vorteilhaftes Zyklenverhalten und zugleich durch hohe volumetrische Energiedichten charakterisiert. Silicon, accessible, which have high volumetric capacity and also show a stable electrochemical behavior even after loading and unloading cycles and thus have a high reversible capacity. The lithium-ion batteries according to the invention are thus characterized by advantageous cycle behavior and at the same time by high volumetric energy densities.
Die nachfolgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Erfindung : The following examples serve to further illustrate the invention:
Beispiel 1 : Example 1 :
Herstellung von nicht-aggregierten, splitterförmigen, μτη großen Siliciumpartikeln durch Mahlen:  Production of non-aggregated, splinter-shaped, μτη-sized silicon particles by milling:
Das Siliciumpulver wurde nach dem Stand der Technik durch Mah- lung eines groben Si-Splitts aus der Produktion von Solarsilizium in einer Fließbettstrahlmühle (Netzsch-Condux CGS16 mit 90 m3/h Stickstoff bei 7 bar als Mahlgas) hergestellt. The silicon powder was prepared according to the prior art by grinding a coarse Si-split from the production of solar silicon in a fluidized-bed jet mill (Netzsch-Condux CGS16 with 90 m 3 / h of nitrogen at 7 bar as milling gas).
Die Messung der Partikelverteilung am dabei gewonnenen Produkt durch statische Laserstreuung unter Anwendung des Mie-Modells mit einem Horiba LA 950 in einer stark verdünnten Suspension in Ethanol ergab dlO = 2,23 μπι, d50 = 4,48 μτη und d90 = 7,78 μηι sowie eine Breite (d90-dl0) von 5,5 μιτι. Das Produkt bestand aus einzelnen, nicht aggregierten, split- terförmigen Partikeln (REM) . The measurement of the particle distribution on the product obtained by static laser scattering using the Mie model with a Horiba LA 950 in a highly diluted suspension in ethanol gave dlO = 2.23 μπι, d50 = 4.48 μτη and d90 = 7.78 μηι and a width (d90-dl0) of 5.5 μιτι. The product consisted of single, non-aggregated, sliver-shaped particles (SEM).
Beispiel 2 : Example 2:
Anode mit den Siliciumpartikeln aus Beispiel 1: Anode with the silicon particles from Example 1:
29,709 g bei 85° C bis zur Gewichtskonstanz getrockneter Poly- acrylsäure (Sigma-Aldrich, Mw -450.000 g/mol) und 751,60 g deionisiertes Wasser wurden mittels Schüttler (290 1/min) für 2,5 h bis zur vollständigen Lösung der Polyacrylsäure bewegt. Zu der Lösung wurde Lithiumhydroxid Monohydrat (Sigma-Aldrich) portionsweise hinzugegeben, bis der pH-Wert bei 7,0 lag (gemessen mit pH-Meter WTW pH 340i und Sonde SenTix RJD) . Die Lösung wurde anschließend mittels Schüttler weitere 4 h durchmischt. 7,00 g der Siliciumpartikel aus Beispiel 1 wurden dann in 12,50 g der neutralisierten Polyacrylsäure-Lösung (Konzentration 4 Gew.%) und 5,10 g deionisiertem Wasser mittels Dissolver bei einer Umlaufgeschwindigkeit von 4,5 m/s für 5 min und von 12 m/s für 30 min unter Kühlung bei 20°C dispergiert. Nach Zugabe von 2,50 g Graphit (Imerys, KS6L C) wurde dann weitere 30 min bei einer Umlaufgeschwindigkeit von 12 m/s gerührt. Nach Entgasen wurde die Dispersion mittels eines Filmziehrahmens mit 0,10 mm Spalthöhe (Erichsen, Modell 360) auf eine Kupferfolie mit Dicke von 0,030 mm (Schlenk Metallfolien, SE-Cu58) aufgebracht. Die so hergestellte Anodenbeschichtung wurde anschließend 60 min bei 80°C und 1 bar Luftdruck getrocknet.  29.709 g at 85 ° C to constant weight dried polyacrylic acid (Sigma-Aldrich, Mw -450,000 g / mol) and 751.60 g of deionized water were shakers (290 1 / min) for 2.5 h until complete solution the polyacrylic acid moves. Lithium hydroxide monohydrate (Sigma-Aldrich) was added portionwise to the solution until the pH was 7.0 (measured with pH meter WTW pH 340i and probe SenTix RJD). The solution was then mixed by means of a shaker for a further 4 h. 7.00 g of the silicon particles from example 1 were then dissolved in 12.50 g of the neutralized polyacrylic acid solution (concentration 4% by weight) and 5.10 g of deionized water by means of a dissolver at a circulation speed of 4.5 m / s for 5 min and from 12 m / s for 30 min with cooling at 20 ° C dispersed. After addition of 2.50 g of graphite (Imerys, KS6L C) was then stirred for a further 30 min at a peripheral speed of 12 m / s. After degassing, the dispersion was applied to a 0.030 mm thick copper foil (Schlenk Metallfolien, SE-Cu58) by means of a film drawing frame with 0.10 mm gap height (Erichsen, Model 360). The anode coating thus prepared was then dried for 60 minutes at 80 ° C and 1 bar air pressure.
Die so getrocknete Anodenbeschichtung hatte ein mittleres Flächengewicht von 2,90 mg/cm2 und eine Schichtdicke von 32 μιτι. Proben (Durchmesser = 15 mm) der so erhaltenen Anode wurden dann in einem Presswerkzeug (Specac, Durchmesser = 20mm) mit- tels manueller hydraulischer Presse (Specac, 15 t) verdichtet, so dass Anoden mit Dicken der Anodenbeschichtungen erhalten wurden, wie in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1: AnodenbeSchichtungen der (Vergleichs ) Beispiele 2a, 2b und 2c: The dried anode coating had an average basis weight of 2.90 mg / cm 2 and a layer thickness of 32 μιτι. Samples (diameter = 15 mm) of the resulting anode were then compacted in a die (Specac, diameter = 20 mm) by means of a manual hydraulic press (Specac, 15 t) to obtain anodes with thicknesses of anode coatings, as shown in Table 1 indicated. Table 1: Anode coatings of (comparative) Examples 2a, 2b and 2c:
a) Dicke der porösen Anodenbeschichtung bestimmt mit dem Mess- gerät „digitale Messuhr Mitutoyo" (1 μτη bis 12,7 mm) mita) Thickness of the porous anode coating determined by means of the measuring device "digital dial gauge Mitutoyo" (1 μτη to 12.7 mm)
Feinmesstisch,· Feinmess table ·
b) Dichte pB: Dichte der porösen Anodenbeschichtung; bestimmt, wie weiter oben in der allgemeinen Beschreibung angegeben; c) Porosität φ bestimmt mittels Hg-Porosimetrie (Porotec, b) density p B : density of the porous anode coating; determined as indicated above in the general description; c) porosity φ determined by means of Hg porosimetry (Porotec,
Pascal 140/440) nach DIN 66133.  Pascal 140/440) according to DIN 66133.
Die erfindungsgemäße Formel I ergibt für die Anoden 2a bis 2c unter Berücksichtigung des jeweiligen, in Tabelle 2 genannten Lithiierungsgrades folgende Bereiche für die Porosität: The formula I according to the invention gives for the anodes 2a to 2c, taking into account the respective degree of lithiation mentioned in Table 2, the following ranges for the porosity:
- Anode gemäß Beispiel 2a: - Anode according to Example 2a:
Porosität φ: Bereich von 31,2 bis 45,1%;  Porosity φ: range of 31.2 to 45.1%;
- Anode gemäß Beispiel 2b:  - Anode according to Example 2b:
Porosität φ: Bereich von 21,3 bis 30,8%;  Porosity φ: range of 21.3 to 30.8%;
- Anode gemäß Beispiel 2c :  Anode according to Example 2c:
Porosität φ: Bereich von 43,6 bis 62,9%.  Porosity φ: range of 43.6 to 62.9%.
Die in Tabelle 1 genannten, mittels Hg-Porosimetrie gemessenen Porositäten liegen nur für die Anode 2a im Porositätsbereich gemäß Formel I.  The porosities listed in Table 1, measured by Hg porosimetry, are only for the anode 2a in the porosity range according to formula I.
Die Anode 2a ist somit erfindungsgemäß, die Anoden 2b und 2c dagegen nicht.  The anode 2a is thus according to the invention, while the anodes 2b and 2c are not.
Beispiel 3 : Example 3:
Lithium- Ionen-Batterie mit der Anode aus Beispiel 2a:  Lithium-ion battery with the anode of Example 2a:
Die elektrochemischen Untersuchungen wurden an einer Knopfzelle (Typ CR2032, Hohsen Corp.) in 2 -Elektroden-Anordnung durchgeführt. Die Elektrodenbeschichtung aus Beispiel 2a wurde als Ge¬ genelektrode bzw. negative Elektrode (Durchmesser = 15 mm) eingesetzt, eine Beschichtung auf Basis von Lithium-Nickel-Mangan- Kobaltoxid 1:1:1 mit Gehalt von 94,0% und mittlerem Flächengewicht von 14,5 mg/cm2 (bezogen von der Firma Custom Cells) als Arbeitselektrode bzw. positive Elektrode (Durchmesser = 15 mm) verwendet. Ein mit 120 μΐ Elektrolyt getränktes, Glasfaser- Filterpapier ( hatman, GD Type D) diente als Separator (Durchmesser = 16 mm) . Der verwendete Elektrolyt bestand aus einer 1 , 0 -molaren Lösung von Lithiumhexafluorophosphat in einem 3:7 (v/v) Gemisch von Fluorethylencarbonat und Ethylmethylcarbonat , welche mit 2,0 Gew. -% Vinylencarbonat versetzt war. Der Bau der Zelle erfolgte in einer Glovebox (< 1 ppm H20, 02) , der Wassergehalt in der Trockenmasse aller verwendeten Komponenten lag unterhalb von 20 ppm. The electrochemical investigations were carried out on a coin cell (type CR2032, Hohsen Corp.) in 2-electrode arrangement. The electrode coating of Example 2a was used as a counter-electrode or negative electrode Ge ¬ (diameter = 15 mm), a coating based on lithium-nickel-manganese Cobalt oxide 1: 1: 1 with a content of 94.0% and average basis weight of 14.5 mg / cm 2 (supplied by the company Custom Cells) used as a working electrode or positive electrode (diameter = 15 mm). A 120 μΐ electrolyte soaked glass fiber filter paper (hatman, GD Type D) served as a separator (diameter = 16 mm). The electrolyte used consisted of a 1, 0 molar solution of lithium hexafluorophosphate in a 3: 7 (v / v) mixture of fluoroethylene carbonate and ethyl methyl carbonate, which was mixed with 2.0 wt .-% vinylene carbonate. The construction of the cell took place in a glove box (<1 ppm H 2 0, 0 2 ), the water content in the dry matter of all components used was below 20 ppm.
Die elektrochemische Testung wurde bei 20 °C durchgeführt. Das Laden der Zelle erfolgte im cc/cv-Verfahren (constant current / constant voltage) mit konstantem Strom von 5 mA/g (entspricht C/25) im ersten Zyklus und von 60 mA/g (entspricht C/2) in den darauffolgenden Zyklen und nach Erreichen der Spannungsgrenze von 4,2 V mit konstanter Spannung bis Unterschreiten eines Stroms von 1,2 mA/g (entspricht C/100) bzw. 15 mA/g (entspricht C/8) . Das Entladen der Zelle erfolgte im cc-Verfahren (constant current) mit konstantem Strom von 5 mA/g (entspricht C/25) im ersten Zyklus und von 60 mA/g (entspricht C/2) in den darauffolgenden Zyklen bis Erreichen der Spannungsgrenze von 3,0 V. Der gewählte spezifische Strom bezog sich auf das Gewicht der Beschichtung der positiven Elektrode. The electrochemical testing was carried out at 20 ° C. The cell was charged in constant current / constant voltage (cc / cv) mode with a constant current of 5 mA / g (C / 25) in the first cycle and 60 mA / g (C / 2) in the following Cycles and after reaching the voltage limit of 4.2 V with constant voltage to below a current of 1.2 mA / g (corresponds to C / 100) or 15 mA / g (corresponds to C / 8). The cell was discharged in the cc (constant current) method with a constant current of 5 mA / g (equivalent to C / 25) in the first cycle and 60 mA / g (equivalent to C / 2) in the subsequent cycles until reaching the voltage limit of 3.0 V. The selected specific current was based on the weight of the positive electrode coating.
Auf Grund der Rezeptierung in den Beispielen 2 und 3 wurde die Lithium- Ionen-Batterie durch Zellbalancing unter Teil- Lithiierung der Anode betrieben. Due to the formulation in Examples 2 and 3, the lithium ion battery was operated by cell balancing with partial lithiation of the anode.
Fig. 1 zeigt die Entladekapazität einer Vollzelle auf Basis der Anodenbeschichtung aus Beispiel 2a in Abhängigkeit von der Zyklenzahl . Fig. 1 shows the discharge capacity of a full cell based on the anode coating of Example 2a as a function of the number of cycles.
Die Vollzelle hat im ersten Zyklus (C/25) eine reversible Kapazität von 2,21 mAh/cm2. The full cell has a reversible capacity of 2.21 mAh / cm 2 in the first cycle (C / 25).
Die flächenbezogene Delithiierungs-Kapazität ß beträgt 2,46 mAh/cm2, der Lithiierungsgrad α 28,8%, die volumetrische Ano- denkapazität 1116 mAh/cra3. Die flächenbezogene Delithiierungs- Kapazität ß, der Lithiierungsgrad α sowie die volumetrische Anodenkapazität wurden nach den Methoden bestimmt, die oben in der allgemeinen Beschreibung angegeben sind. The area-related delithiation capacity β is 2.46 mAh / cm 2 , the degree of lithiation α is 28.8%, the volumetric anodization the capacity is 1116 mAh / cra 3 . The area-related delithiation capacity β, the degree of lithiation α and the volumetric anode capacity were determined according to the methods given above in the general description.
Im zweiten Zyklus (C/2) hat sie eine reversible Kapazität von 2,03 mAh/cm2 und nach 203 Lade-/Entladezyklen noch 80% ihrer Kapazität aus dem zweiten Zyklus. In the second cycle (C / 2) it has a reversible capacity of 2.03 mAh / cm 2 and after 203 charge / discharge cycles it still has 80% of its capacity from the second cycle.
Die Vollzelle von Beispiel 3 hatte also eine hohe volumetrische Kapazität und zeigte ein geringes Fading. Thus, the full cell of Example 3 had a high volumetric capacity and showed little fading.
Vergleichsbeispiel 4 (VBsp.4) : Comparative Example 4 (VBsp.4):
Lithium-Ionen-Batterie mit der Anode aus Beispiel 2b:  Lithium-ion battery with the anode of example 2b:
Die Anode aus Beispiel 2b wurde wie in Beispiel 3 beschrieben getestet. The anode of Example 2b was tested as described in Example 3.
Fig. 2 zeigt die Entladekapazität einer Vollzelle auf Basis der Anodenbeschichtung aus Beispiel 2b in Abhängigkeit von der Zyk¬ lenzahl . Fig. 2 shows the discharge capacity of a full cell on the basis of the anode coating of Example 2b as a function of Zyk ¬ lenzahl.
Die Vollzelle hat im ersten Zyklus (C/25) eine reversible Kapa¬ zität von 2,19 mAh/cm2. The full cell has in the first cycle (C / 25) has a reversible capacity Capa ¬ of 2.19 mAh / cm 2.
Die flächenbezogene Delithiierungs-Kapazität ß beträgt 2,43 mAh/cm2, der Lithiierungsgrad α 28,5%, die volumetrische Anodenkapazität 759 mAh/cm3. The area-related delithiation capacity β is 2.43 mAh / cm 2 , the degree of lithiation α is 28.5%, and the volumetric anode capacity is 759 mAh / cm 3 .
Im zweiten Zyklus (C/2) hat sie eine reversible Kapazität von 2,01 mAh/cm2 und nach 194 Lade -/Entladezyklen noch 80% ihrer Kapazität aus dem zweiten Zyklus. In the second cycle (C / 2) it has a reversible capacity of 2.01 mAh / cm 2 and after 194 charge / discharge cycles it still has 80% of its capacity from the second cycle.
Die Vollzelle von Vergleichsbeispiel 4 hatte eine weitaus ge- ringere volumetrische Kapazität und zudem ein ausgeprägteres Fading als die Vollzelle von Beispiel 3. The full cell of Comparative Example 4 had a much lower volumetric capacity and moreover a more pronounced fading than the full cell of Example 3.
Vergleichsbeispiel 5 (VBs .5) : Comparative Example 5 (VBs .5):
Lithium- Ionen-Batterie mit der Anode aus Beispiel 2c :  Lithium-ion battery with the anode of example 2c:
Die Anode aus Beispiel 2c wurde wie in Beispiel 3 beschrieben getestet . Fig. 3 zeigt die Entladekapazität einer Vollzelle auf Basis der Anodenbeschichtung aus Beispiel 2c in Abhängigkeit von der Zyklenzahl . The anode of Example 2c was tested as described in Example 3. Fig. 3 shows the discharge capacity of a full cell based on the anode coating of Example 2c as a function of the number of cycles.
Die Vollzelle hat im ersten Zyklus (C/25) eine reversible Kapa- zität von 2,25 mAh/cm2. The full cell has a reversible capacity of 2.25 mAh / cm 2 in the first cycle (C / 25).
Die flächenbezogene Delithiierungs-Kapazität ß beträgt 2,50 mAh/cm2, der Lithiierungsgrad a 29,3%, die volumetrische Anodenkapazität 1561 mAh/cm3. The area-related delithiation capacity β is 2.50 mAh / cm 2 , the degree of lithiation a 29.3%, the volumetric anode capacity 1561 mAh / cm 3 .
Im zweiten Zyklus (C/2) hat sie eine reversible Kapazität von 2,02 mAh/cm2 und nach 50 Lade -/Entladezyklen noch 80% ihrer Kapazität aus dem zweiten Zyklus. In the second cycle (C / 2) it has a reversible capacity of 2.02 mAh / cm 2 and after 50 charge / discharge cycles it still has 80% of its capacity from the second cycle.
Die Vollzelle von Vergleichsbeispiel 5 hatte zwar eine hohe volumetrische Kapazität, zeigte aber nachteiligerweise ein hohes Fading. Although the full cell of Comparative Example 5 had a high volumetric capacity, it disadvantageously exhibited high fading.
In Tabelle 2 sind die Austestungsergebnisse von Beispiel 3 sowie den Vergleichsbeispielen 4 und 5 zusammengefasst . Table 2 summarizes the results of examinations of Example 3 and Comparative Examples 4 and 5.
Die Lithium-Ionen-Batterie von Beispiel 3 zeigt im Vergleich zu den Lithium- Ionen-Batterien der Vergleichsbeispiele 4 und 5 überraschenderweise sowohl eine sehr hohe volumetrische Anodenkapazität (Zyklus 1) als auch ein stabileres elektrochemisches Verhalten in den Folgezyklen. The lithium ion battery of Example 3 surprisingly exhibits both a very high volumetric anode capacity (cycle 1) and a more stable electrochemical behavior in the subsequent cycles compared to the lithium ion batteries of comparative examples 4 and 5.
Tabelle 2 s Austestungsergebnisse mit den Lithium- Ionen- Batterien der (Vergleichs) Beispiele 3, 4 und 5 Table 2 s Examination results with the lithium ion batteries of (comparative) Examples 3, 4 and 5
*' im ersten Zyklus (C/25)  * in the first cycle (C / 25)

Claims

Patentansprüche  claims
1. Anoden von Lithium-Ionen-Batterien, 1. anodes of lithium-ion batteries,
wobei die Anoden poröse Anodenbeschichtungen mit volumetri- schen Kapazitäten von ^ 800 mAh/cm3 und Stromsammler umfassen und the anodes comprise porous anode coatings with volumetric capacities of 800 800 mAh / cm 3 and current collectors, and
die porösen Anodenbeschichtungen auf mindestens einem Aktivmaterial (AM) in Form von Partikeln, einem oder mehreren Bindemitteln, gegebenenfalls Graphit, gegebenenfalls einem oder mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten und gegebenenfalls einem oder mehreren Additiven basieren, wobei die Aktivmaterial enthaltenden Partikel zu mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterial enthaltenden Partikel, aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium, Zinn und Blei bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass  the porous anode coatings are based on at least one active material (AM) in the form of particles, one or more binders, optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive components and optionally one or more additives, the particles containing active material being at least 90% by weight. %, based on the total weight of the particles containing active material, of an element selected from the group consisting of silicon, tin and lead, characterized in that
a) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,50 bis < 1,00 und  a) porous anode coatings with a degree of lithiation α in the range of 0.50 to <1.00 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 5 bis 30 Gew.-%, bezo¬ gen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 6 bis 61 Vol.-% haben; oder with an active material content of 5 to 30 wt .-%, bezo ¬ gene on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ from the range 6-61 vol .-% have; or
b) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,30 bis 0,70 und  b) porous anode coatings with a degree of lithiation α in the range of 0.30 to 0.70 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 30 bis 60 Gew.-%, bezo¬ gen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 19 bis 71 Vol.-% haben; oder have with an active material content of 30 to 60 wt .-%, bezo ¬ gene on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ from the range from 19 to 71 vol .-%; or
c) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad α aus dem Bereich von 0,20 bis 0,50 und  c) porous anode coatings having a degree of lithiation α in the range of 0.20 to 0.50 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 60 bis 85 Gew.-%, bezo¬ gen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 23 bis 72 Vol.-% haben; oder have with an active material content of 60 to 85 wt .-%, bezo ¬ gene on the total weight of the porous anode coating, a porosity φ from the range from 23 to 72 vol .-%; or
d) poröse Anodenbeschichtungen mit einem Lithiierungsgrad von 0,95 bis 1,00 und  d) porous anode coatings with a degree of lithiation of 0.95 to 1.00 and
mit einem Aktivmaterialgehalt von 5 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der porösen Anodenbeschichtung, eine Porosität φ aus dem Bereich von 11 bis 61 Vol.-% haben . with an active material content of 5 to 30% by weight, based on the total weight of the porous anode coating, have a porosity φ in the range of 11 to 61 vol .-%.
Anoden von Lithium- Ionen-Batterien gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Anodes of lithium-ion batteries according to claim 1, characterized in that
die porösen Anodenbeschichtungen a) mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von 0,92 bis 2,31 g/cm3 haben; und die porösen Anodenbeschichtungen b) mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von 0,77 bis 1,96 g/cm3 haben; und die porösen Anodenbeschichtungen c) mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von 0,77 bis 1,84 g/cm3 haben; und die porösen Anodenbeschichtungen d) mit Silicium als Aktivmaterial eine Dichte (pB) von 0,92 bis 2,18 g/cm3 haben. the porous anode coatings a) having silicon as the active material have a density (p B ) of 0.92 to 2.31 g / cm 3 ; and the porous anode coatings b) having silicon as active material have a density (p B ) of 0.77 to 1.96 g / cm 3 ; and the porous anode coatings c) having silicon as the active material have a density (p B ) of 0.77 to 1.84 g / cm 3 ; and the porous anode coatings d) having silicon as the active material have a density (p B ) of 0.92 to 2.18 g / cm 3 .
Anoden von Lithium-Ionen-Batterien, Anodes of lithium-ion batteries,
wobei die Anoden poröse Anodenbeschichtungen mit volumetri - sehen Kapazitäten von > 800 mAh/cm3 und Stromsammler umfassen und the anodes comprising porous anode coatings with volumetric capacities of> 800 mAh / cm 3 and current collectors, and
die porösen Anodenbeschichtungen auf mindestens einem Aktivmaterial in Form von Partikeln, einem oder mehreren Bin¬ demitteln, gegebenenfalls Graphit, gegebenenfalls einem o- der mehreren weiteren elektrisch leitenden Komponenten und gegebenenfalls einem oder mehreren Additiven basieren, wobei die Aktivmaterial enthaltenden Partikel zu mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Aktivmaterial enthaltenden Partikel, aus einem Element ausgewählt aus der Gruppe umfassend Silicium, Zinn und Blei bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass the porous anode coatings based on at least an active material in the form of particles, one or more Bin demitteln ¬ optionally graphite, optionally one or more further electrically conductive components, and optionally one or more additives, wherein the active material-containing particles composed of at least 90th %, based on the total weight of the particles containing active material, of an element selected from the group consisting of silicon, tin and lead, characterized in that
die porösen Anodenbeschichtungen eine Porosität φ aufweisen, die im Bereich von 0,9 * φ^ < φ < 1,3 * φ<^ liegt, in der sich φ0ρί nach folgender Formel I the porous anode coatings have a porosity φ in the range of 0.9 * φ ^ <φ <1.3 * φ <^, in which φ 0ρί according to the following formula I
φορί = 9AM * * K (I) bestimmt, worin φο ρί = 9 AM * * K (I) determines where
ΦΑΜ für den prozentualen Volumenanteil des unlithiiertenΦ Α Μ for the percentage volume fraction of the unlithiated
Aktivmaterials am Gesamtvolumen der unlithiierten porö¬ sen Anodenbeschichtung steht Active material on the total volume of the unlithiated Porö ¬ sen anode coating is
den Lithiierungsgrad des Aktivmaterials in der porösen Anodenbeschichtung darstellt und Werte von 0 < < 1 annehmen kann und κ für Silicium den Wert von 3,00, für Zinn den Wert von 2,44 und für Blei den Wert von 2,22 und annimmt. represents the degree of lithiation of the active material in the porous anode coating and can assume values of 0 <<1, and κ for silicon the value of 3.00, for tin the value of 2.44 and for lead the value of 2.22 and.
Anoden von Lithium-Ionen-Batterien gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität φ von porösen Anodenbeschichtungen größer als 0 Vol.-% und kleiner als 75 Vol.-% ist. Anodes of lithium-ion batteries according to claim 3, characterized in that the porosity φ of porous anode coatings is greater than 0 vol% and less than 75 vol%.
Anoden von Lithium- Ionen-Batterien gemäß Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivmaterial Silicium in Form von Partikeln mit volumengewichteter Partikelgrößenverteilung zwischen den Durchmesser-Perzentilen dx0 ^ 0,2 μιη und d90 ^ 20,0 μιη vorliegt. Anodes of lithium-ion batteries according to claim 1 to 4, characterized in that the active material is silicon in the form of particles with volume-weighted particle size distribution between the diameter percentiles d x0 ^ 0.2 μιη and d 90 ^ 20.0 μιη present.
Anoden von Lithium- Ionen-Batterien gemäß Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktivmaterial Silicium in Form von Partikeln mit volumengewichteter Partikelgrößenverteilung d50 von 0,5 bis 10,0 pm vorliegt. Anodes of lithium-ion batteries according to claim 1 to 5, characterized in that the active material is silicon in the form of particles having a volume-weighted particle size distribution d 50 of 0.5 to 10.0 pm.
Anoden von Lithium- Ionen-Batterien gemäß Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die porösen Anodenbeschichtungen in den vollständig geladenen Lithium-Ionen-Batterien nur teilweise lithiiert sind. Anodes of lithium-ion batteries according to claim 1 to 6, characterized in that the porous anode coatings in the fully charged lithium-ion batteries are only partially lithiated.
8. Anoden von Lithium- Ionen-Batterien gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den teilweise lithiierten porösen Anodenbeschichtungen der vollständig geladenen Lithium-Ionen-Batterien das Verhältnis der Lithiumatome zu den Aktivmaterial -Atomen ^ 0,22 und ^ 2,2 beträgt. Anodes of lithium-ion batteries according to claim 7, characterized in that in the partially lithiated porous anode coatings of the fully charged lithium-ion batteries, the ratio of the lithium atoms to the active material atoms is 0,2 0.22 and 2,2 2.2 ,
9. Anoden von Lithium- Ionen-Batterien gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass 9. anodes of lithium-ion batteries according to claim 7 or 8, characterized in that
die Kapazität des Aktivmaterials der porösen Anodenbeschichtungen der Lithium- Ionen-Batterien zu ^ 50% genutzt wird, bezogen auf die maximale Kapazität pro Gramm Aktivmaterial, wobei die maximale Kapazität für Silicium 4200 mAh/g, für Zinn 993 mAh/g und für Blei 582 mAh/g beträgt.  the capacity of the active material of the porous anode coatings of the lithium-ion batteries is used to ^ 50% based on the maximum capacity per gram of active material, the maximum capacity for silicon being 4200 mAh / g, for tin 993 mAh / g and for lead 582 mAh / g.
10. Lithium-Ionen-Batterien enthaltend Anoden mit porösen Anodenbeschichtungen gemäß Anspruch 1 bis 9. 10. Lithium-ion batteries containing anodes with porous anode coatings according to claim 1 to 9.
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