EP4423823A1 - Anodenmaterial, batterie und verfahren zur herstellung eines anodenmaterials - Google Patents

Anodenmaterial, batterie und verfahren zur herstellung eines anodenmaterials

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EP4423823A1
EP4423823A1 EP22809354.8A EP22809354A EP4423823A1 EP 4423823 A1 EP4423823 A1 EP 4423823A1 EP 22809354 A EP22809354 A EP 22809354A EP 4423823 A1 EP4423823 A1 EP 4423823A1
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EP
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anode material
silicon
shell
carbon
core
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EP22809354.8A
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Jaekyung SUNG
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Volkswagen AG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to an anode material, a battery with an anode made from such an anode material and a method for producing the anode material.
  • An anode material is used to make an anode, which in turn is part of a battery.
  • Batteries are used, for example, in an electric vehicle and in this case provide electrical energy for an electrical drive train.
  • An example of a battery is a lithium-ion battery, in which silicon or carbon, for example, is used as the anode material.
  • a battery has one or more cells, each cell has two electrodes, namely an anode and a cathode.
  • the performance of the battery and each individual cell also depends in particular on the electrodes and the materials used. For example, it is possible to use a combination of silicon particles and carbon as the anode material. The use of silicon results in a particularly high energy density.
  • the use of pure silicon in the anode material also has various disadvantages. For example, silicon has poor electrical conductivity and, conversely, is correspondingly electrically insulating.
  • silicon undergoes a drastic volume change during lithiation and is susceptible to permanent lithium trapping (so-called “lithium trapping”) as well as to an unstable and continuous formation of a solid electrolyte interphase (SEI, for short: “solid electrolyte interphase”).
  • lithium trapping permanent lithium trapping
  • SEI solid electrolyte interphase
  • WO 2020/260332 A1 describes an anode with particles which have a silicon-based core surrounded by two carbon coatings with different densities.
  • US 2010/0310941 A1 describes a method for producing an anode material. First, carbon nanotubes (CNT for "carbon nanotubes” for short) are produced and then coated with silicon. Against this background, it is an object of the invention to specify an improved anode material. One or more of the disadvantages listed at the outset should be avoided or at least reduced as far as possible. A battery with a corresponding anode material and a method for producing the anode material are also to be specified.
  • anode material having the features of claim 1
  • a battery having the features of claim 9
  • a method having the features of claim 10.
  • the anode material according to the invention is designed for use in an anode of a battery.
  • the battery is preferably a lithium-ion battery; in the following it is also assumed, without loss of generality, that the battery is a lithium-ion battery.
  • the anode material has a number of particles. “A number of” is understood to mean “one or more”, typically the anode material has a large number of particles. The number of particles per gram of anode material depends in particular on the size of the individual particles. An individual particle preferably has an average diameter of 50 nm to 50 ⁇ m, with 1 ⁇ m to 20 ⁇ m being particularly preferred.
  • a respective particle has a core and a shell which surrounds the core, in particular immediately, i.e. without any space or intervening layers.
  • the core itself is preferably solid, i.e. not hollow.
  • the shell contains silicon, carbon and nitrogen.
  • the shell consists exclusively of silicon, carbon, nitrogen and/or compounds thereof and that corresponding other substances, materials and/or elements are not present. Aside from the elements mentioned, silicon, nitrogen and carbon, the shell preferably has no other elements.
  • the shell is also referred to as a SiCxNy layer, ie as a layer of silicon in combination with carbon and nitrogen, where x and y indicate the particle numbers of carbon and nitrogen, respectively, relative to the silicon.
  • the proportion of carbon is accordingly regularly significantly larger (ie at least a factor of 5) than the proportion of nitrogen, and overall silicon typically makes up the largest proportion.
  • the composition mentioned does not have to be mandatory are maintained and further suitable numbers of particles result in particular by varying the above numbers of particles by a factor of 0.5 - 2.
  • the silicon of the shell serves in particular as an active material, which correspondingly absorbs and releases lithium ions during charging and discharging (this is referred to as lithiation and delithiation).
  • the anode material is thus a silicon-based anode material.
  • the described anode material based on SiCxNy has a particularly high energy density of in particular >1000 mAh/g and enables a battery containing such an anode material to be charged and discharged particularly quickly.
  • the silicon in the shell (more precisely, at least a first part of the silicon in the shell) forms a multiplicity of nanoparticles.
  • the nanoparticles each consist exclusively of silicon and are therefore also referred to as silicon nanoparticles.
  • Nanoparticles are understood to mean, in particular, those particles which have spatial dimensions (i.e. length, width, height or diameter) of roughly around 1 nm up to several 100 nm and in any case ⁇ 1 ⁇ m.
  • the nanoparticles preferably have an average diameter in the range from 0.5 nm to 5 nm, particularly preferably 1 nm to 2 nm, and are correspondingly comparatively small nanoparticles.
  • the dimensions of a particular particle viewed in the three spatial directions are not necessarily identical, but can differ from each other, e.g. by up to one order of magnitude.
  • the nanoparticles mentioned are different from the core-shell particles described above. Namely, the nanoparticles are part of the shell, so the particles of the anode material are consequently larger than the nanoparticles, typically by one or more orders of magnitude, and then the shell contains a multiplicity of nanoparticles. In a suitable configuration, the shell then has a layer thickness in the range from 100 nm to 200 nm, with an average layer thickness of 150 nm being particularly preferred.
  • the silicon in the shell (more precisely, a second part of the silicon in the shell), together with the carbon and the nitrogen, forms an inactive matrix in which the nanoparticles are embedded.
  • the nanoparticles are an active material, namely contain Silicon that is lithiated and delithiated during one cycle.
  • the inactive matrix is an inactive material which is accordingly not lithiated and delithiated during one cycle.
  • the invention is initially based on the observation that, in principle, there is a need to increase the energy density of batteries while at the same time restricting installation space. This is particularly relevant for electrically powered vehicles of all kinds.
  • carbon or silicon as the anode material for lithium-ion batteries.
  • graphite a configuration of carbon
  • silicon has a low energy density, with a theoretical maximum of only 372 mAh/g.
  • the energy density is an order of magnitude higher and is theoretically a maximum of 3579 mAh/g. Therefore, the use of silicon is fundamentally initially advantageous.
  • silicon also has some disadvantages, in particular a large change in volume during lithiation and delithiation (i.e.
  • lithium trapping irreversible lithium trapping
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the extent or size of the silicon is adjusted, specifically reduced.
  • silicon is used in the form of nanoparticles in order to reduce mechanical loads and their effects (fractures and pulverization).
  • faster diffusion of lithium ions and faster electron transfer is achieved in this way.
  • coat the silicon, in general the active material with a material with the highest possible electrical conductivity, which improves this overall accordingly and also reduces side reactions on the surface of the silicon (of the active material in general), which poses a risk from mechanical damage is further reduced.
  • void space engineering is also advantageous, ie the intentional creation of cavities in the anode material, which then absorb a change in volume and which also limit growth of the solid-electrolyte interphase. Similar to the combination of active and inactive material already described, it is also advantageous to use special compounds which then have carbon as the active material, for example in the form of graphite. Such an anode material can regularly be calendered particularly well, so that a high electrode density is achieved.
  • the coating of the active material, the combination of the active material with an inactive material and the use of special compounds are considered to be particularly promising and advantageous.
  • the void design results in a large, irreversible loss of capacity on the first cycle. This can be avoided to some extent by using silicon oxide (i.e. SiOx, where x is the number of particles of oxygen relative to silicon), but silicon oxide has other disadvantages, as will be described below.
  • the inactive matrix contains carbon, e.g., graphite.
  • carbon e.g., graphite.
  • an inactive matrix ie an inactive material for embedding the active material
  • an inactive material for embedding the active material
  • electrochemical properties For example, when using silicon oxide, Li2O and Li4SiO4 can then be formed in side reactions, which leads to a reduced Coulomb efficiency. This process is also irreversible.
  • silicon carbide silicon nanoparticles are produced for the production, for example by mechanical grinding, but silicon oxide then regularly forms on the surface of the silicon nanoparticles, with the disadvantages mentioned.
  • the inactive matrix of carbon The material becomes brittle as a result of the grinding and has only a low mechanical strength, ie it breaks easily due to repeated loading/unloading.
  • Another solution is to pre-lithiate the anode material before manufacturing the battery to compensate for the loss of lithium in the first cycle.
  • the use of lithium is generally problematic and dangerous, which is only disadvantageously exacerbated by the now increased quantity.
  • a wide variety of configurations are conceivable and suitable for the respective shape of core and shell.
  • the shell preferably follows an outer contour of the core and has essentially (ie with a tolerance ⁇ 5%) the same layer thickness at every point. In this way, the shell forms an even shell for the core.
  • An embodiment is preferred in which the core and the shell of a respective particle, taken together, are plate-shaped or rod-shaped. In principle, however, a spherical shape of core and shell is also suitable.
  • a battery according to the invention has an anode which is made from an anode material as described above.
  • the battery is preferably a lithium ion battery.
  • the battery is preferably used to supply an electric drive of a vehicle.
  • FIG. 6 shows the storage capacity ratio of the three half-cells from FIG. 4
  • 7 shows the storage capability ratio for three full cells
  • anode material 2 which is designed for use in an anode 4 of a battery 6, e.g. as shown in FIG.
  • the battery 6 also has a cathode 8 and is a lithium-ion battery here by way of example.
  • the anode material 2 has a number of particles 10 . “A number of” is understood to mean “one or more”, typically the anode material 2 has a large number of particles 10 .
  • an individual particle 10 has a mean diameter of 50 nm to 50 ⁇ m, which results as the mean value from the various diameters D1.
  • each particle 10 has a core 12 and a shell 14 which directly surrounds the core 12 .
  • the shell 14 contains silicon, carbon and nitrogen and consists here exclusively of silicon, carbon, nitrogen and/or compounds thereof. Aside from the elements mentioned, silicon, nitrogen and carbon, the shell 14 has no other elements.
  • the shell 14 is also referred to as a SiCxNy layer, i.e. as a layer of silicon in combination with carbon and nitrogen.
  • the silicon of the shell 14 serves as an active material, which correspondingly absorbs and releases lithium ions during charging and discharging (this is referred to as lithiation and delithiation).
  • the anode material 2 is thus a silicon-based anode material 2.
  • the silicon in the shell 14 forms a large number of nanoparticles 16.
  • FIG. 3 shows a section of FIG. 1 in an enlarged view, so that the shell 14 of one of the particles 10 can be seen in detail.
  • the nanoparticles 16 each consist exclusively of silicon and are therefore also referred to as silicon nanoparticles.
  • the nanoparticles 16 have an average diameter in the range from 1 nm to 2 nm, which is the average of possibly different diameters D2.
  • the nanoparticles 16 are part of the shell 14, so the particles 10 of the anode material 2 are consequently larger than the nanoparticles 16, typically by one or more orders of magnitude.
  • the shell 14 has a layer thickness D3 in the range from 100 nm to 200 nm, for example.
  • the silicon in the shell 14 forms, together with the carbon and the nitrogen, an inactive matrix 18 in which the nanoparticles 16 are embedded.
  • the nanoparticles 16 are an active material, namely containing silicon, which is lithiated and delithiated during one cycle.
  • the inactive matrix 18, in contrast, is an inactive material which is accordingly not lithiated and delithiated during a cycle.
  • the carbon and nitrogen are combined with silicon to form an anode material 2 in the present case.
  • the carbon and nitrogen are involved in the formation of the inactive matrix 18, in which at least part of the silicon is embedded as active material, here as nanoparticles 16.
  • carbon, nitrogen and silicon form various compounds for this purpose, which are then form the inactive matrix 18.
  • the inactive matrix 18 is formed from a multiplicity of regions of nitrogen-doped carbon 20, silicon nitride 22, silicon carbide 24 and silicon carbonitride 26.
  • nitrogen-doped carbon 20 and silicon carbide 24 in FIG those regions which have carbon and/or compounds with carbon apart from SiCN are summarized for the sake of simplicity.
  • 4 to 7 show results of experiments, which confirmed that an anode material 2 with an inactive matrix 18 based on SiCxNy has improved cycle stability compared to using only SiNx or only SiCx, both in a half-cell configuration (cf 4 to 6) as well as in a full cell configuration (see Fig. 7).
  • 4 shows the voltage profile of three half-cells, namely anodes made of SiNx, SiCx and SiCxNy, in the first cycle.
  • the voltage 28 (in V) of the respective half-cell is given as a function of the specific capacity 30 (in mAh/g).
  • the storage capacity ratio 36 (“capacity retention ratio”), i.e. the storage capacity compared to the first cycle, is shown as a function of the number of cycles 34, with the charging current increasing as the cycles progress (the storage capacity ratio corresponds in particular to the ratio of the specific capacity in a specific cycle to the original specific capacity in the first cycle and thus indicates how much of the original storage capability is retained after a certain number of cycles).
  • FIG. 7 also shows the storage capability ratio 36 as a function of the number of cycles 34, but now for a full cell configuration, namely three full cells with anodes made of SiNx, SiCx and SiCxNy with the form factor 2032R.
  • the particles 10 of the anode material 2 also have a core 12 .
  • the core 12 consists exclusively of carbon, which generally forms a framework for the shell 14 and holds and/or stabilizes it.
  • the core 12 has, for example, a mean diameter which is one to two orders of magnitude greater than the layer thickness D3 of the shell 14 and which results as the mean value of the various diameters D4.
  • the particles 10 in the embodiment shown here each have a shell 38 made of carbon, in which the core 12 and the shell 14 are enclosed.
  • the core 12 is thus doubly coated, with the shell 14 forming a first, inner layer and the cladding 38 made of carbon forming a second, outer layer.
  • the cover 38 directly adjoins the cover 14 .
  • the cover 38 also serves as a filling material between the various covers 14 and spaces them from one another, as can be seen clearly in FIG. 1 .
  • the shells 38 of the particles 10 are even grown together and/or connected and then form a network in which the cores 12 with shells 14 are embedded, analogously to a single particle 10 in which the nanoparticles 16 are embedded in its inactive matrix 18 are.
  • the shell 14 follows an outer contour of the core 12 and has essentially the same layer thickness D3 at every point. In this way, the shell 14 forms a uniform shell for the core 12.
  • the core 12 and the shell 14 of a respective particle 10, taken together are designed in the form of a plate or rod. In principle, however, a spherical shape (not shown here) of core 12 and shell 14 is also possible.
  • FIG. 8 An exemplary embodiment of a method for producing the anode material 2 is shown in FIG. 8 .
  • the shell 14 is in a chamber 40 by means of chemical vapor deposition (CVD) from a silicon-containing gas 42, a carbon-containing gas 44 and a nitrogenous gas 46 produced.
  • the silicon-containing gas 42 is monosilane (SiH4) here.
  • the carbonaceous gas 44 is ethene (C2H4).
  • the nitrogen-containing gas 46 is ammonia (NH3) here. All three gases are applied simultaneously, ie in a common process step, and just not separately and in different process steps.

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Abstract

Es wird ein Anodenmaterial (2) angegeben, mit einer Anzahl an Partikeln (10), wobei ein jeweiliges Partikel (10) einen Kern (12) aufweist und eine Hülle (14), welche den Kern (12) umgibt, wobei die Hülle (14) Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff enthält. Weiter werden eine Batterie (6) und ein Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials (2) angegeben.

Description

Beschreibung
Anodenmaterial, Batterie und Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials
Die Erfindung betrifft ein Anodenmaterial, eine Batterie mit einer Anode aus einem solchen Anodenmaterial und ein Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials.
Ein Anodenmaterial dient zur Herstellung einer Anode, welche wiederum ein Teil einer Batterie ist. Batterien finden beispielsweise Verwendung in einem Elektrofahrzeug und stellen bei diesem elektrische Energie für einen elektrischen Antriebsstrang bereit. Ein Beispiel für eine Batterie ist eine Lithium-Ionen-Batterie, bei welcher als Anodenmaterial beispielsweise Silizium oder Kohlenstoff verwendet wird.
Eine Batterie weist eine oder mehrere Zellen auf, jede Zelle weist zwei Elektroden auf, nämlich eine Anode und eine Kathode. Die Leistungsfähigkeit der Batterie und jeder einzelnen Zelle hängt besonders auch von den Elektroden und den verwendeten Materialien ab. Beispielsweise ist es möglich, als Anodenmaterial eine Kombination von Siliziumpartikeln und Kohlenstoff zu verwenden. Die Verwendung von Silizium ergibt eine besonders hohe Energiedichte. Die Verwendung von reinem Silizium im Anodenmaterial hat jedoch auch diverse Nachteile. So weist Silizium eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf und ist umgekehrt entsprechend elektrisch isolierend. Weiter erfährt Silizium bei der Lithiierung eine drastische Volumenveränderung und ist anfällig für ein permanentes Einfangen von Lithium (sogenanntes „lithium trapping“) sowie für eine instabile und fortwährende Ausbildung einer Feststoff-Elektrolyt-Zwischenphase (kurz: SEI, für „solid electrolyte interphase“) an der Oberfläche des Siliziums. Reines Silizium ist weiterhin gefährdet durch eine mechanische Zersetzung (z.B. Brüche oder Pulverisierung).
Die WO 2020/260332 A1 beschreibt eine Anode mit Partikeln, welche einen siliziumbasierten Kern aufweisen, welcher von zwei Kohlenstoffbeschichtungen mit unterschiedlicher Dichte umgeben ist.
Die US 2010/0310941 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials. Dabei werden zunächst Kohlenstoffnanoröhrchen (kurz CNT, für „carbon nanotubes“) hergestellt und diese dann anschließend mit Silizium beschichtet. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Anodenmaterial anzugeben. Dabei sollen einer oder mehrere der eingangs aufgeführten Nachteile möglichst vermieden oder zumindest reduziert werden. Weiter sollen eine Batterie mit einem entsprechenden Anodenmaterial sowie ein Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Anodenmaterial mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1, durch eine Batterie mit den Merkmalen gemäß Anspruch 9 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Anodenmaterial gelten sinngemäß auch für die Batterie sowie für das Verfahren und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Anodenmaterial ist ausgebildet zur Verwendung in einer Anode einer Batterie. Die Batterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie, nachfolgend wird auch ohne Beschränkung der Allgemeinheit davon ausgegangen, dass die Batterie eine Lithium-Ionen- Batterie ist. Das Anodenmaterial weist eine Anzahl von Partikeln auf. Unter „eine Anzahl von“ wird „ein oder mehrere“ verstanden, typischerweise weist das Anodenmaterial eine Vielzahl von Partikeln auf. Die Anzahl an Partikeln pro Gramm Anodenmaterial hängt insbesondere von der Größe der einzelnen Partikel ab. Ein einzelnes Partikel weist vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 50 pm auf, besonders bevorzugt sind 1 pm bis 20 pm.
Ein jeweiliges Partikel weist einen Kern auf und eine Hülle, welche den Kern umgibt, insbesondere unmittelbar, d.h. ohne Zwischenraum oder zwischenliegende Schichten. Der Kern selbst ist vorzugsweise massiv, d.h. nicht hohl. Die Hülle enthält Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff.
Darunter wird vorzugsweise verstanden, dass die Hülle ausschließlich aus Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Verbindungen daraus besteht und dass entsprechend andere Stoffe, Materialien und/oder Elemente nicht vorhanden sind. Abseits der genannten Elemente Silizium, Stickstoff und Kohlenstoff weist die Hülle vorzugsweise keine weiteren Elemente auf. Entsprechend wird die Hülle auch als SiCxNy-Schicht bezeichnet, d.h. als Schicht aus Silizium in Kombination mit Kohlenstoff und Stickstoff, wobei x und y die Teilchenanzahlen von Kohlenstoff beziehungsweise Stickstoff relativ zum Silizium angeben. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Teilchenanzahl x = 0,515 und die Teilchenanzahl y = 0,046. Dies entspricht einer Zusammensetzung von Si:C:N = 64-at%:33-at%:3-at%. Der Kohlenstoffanteil ist demnach regelmäßig deutlich größer (d.h. wenigstens Faktor 5) als der Stickstoffanteil und insgesamt macht Silizium typischerweise den größten Anteil aus. Die genannte Zusammensetzung muss nicht zwingend eingehalten werden und weitere geeignete Teilchenanzahlen ergeben sich insbesondere durch Variation der oben genannten Teilchenanzahlen um einen Faktor 0,5 - 2.
Das Silizium der Hülle dient vorliegend insbesondere als aktives Material, welches beim Laden und Entladen entsprechend Lithiumionen aufnimmt und abgibt (dies wird als Lithiierung und Delithiierung bezeichnet). Das Anodenmaterial ist somit ein siliziumbasiertes Anodenmaterial.
Das beschriebene Anodenmaterial auf Basis von SiCxNy weist eine besonders hohe Energiedichte von insbesondere > 1000 mAh/g auf und ermöglicht ein besonders schnelles Laden und Entladen einer Batterie, welche ein solches Anodenmaterial enthält.
Bevorzugterweise bildet das Silizium in der Hülle (genauer zumindest ein erster Teil des Siliziums in der Hülle) eine Vielzahl von Nanopartikeln. Insbesondere bestehen die Nanopartikel jeweils ausschließlich aus Silizium und werden daher auch als Silizium-Nanopartikel bezeichnet.
Unter „Nanopartikel“ werden insbesondere solche Partikel verstanden, welche räumliche Abmessungen (d.h. Länge, Breite, Höhe oder Durchmesser) von grob etwa 1 nm bis zu mehreren 100 nm aufweisen und jedenfalls < 1 pm. Vorliegend weisen die Nanopartikel bevorzugterweise einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,5 nm bis 5 nm auf, besonders bevorzugt 1 nm bis 2 nm, und sind entsprechend vergleichsweise kleine Nanopartikel. Dabei sind die Abmessungen eines jeweiligen Partikels in den drei Raumrichtungen betrachtet nicht notwendigerweise identisch, sondern können sich voneinander unterscheiden, z.B. um bis zu einer Größenordnung.
Es ist zu betonen, dass die genannten Nanopartikel etwas Anderes sind als die weiter oben beschriebenen Partikel mit Kern und Hülle. Die Nanopartikel sind nämlich ein Teil der Hülle, sodass die Partikel des Anodenmaterials konsequenterweise größer sind als die Nanopartikel, typischerweise um eine oder mehrere Größenordnungen, und dann die Hülle eine Vielzahl von Nanopartikeln enthält. Die Hülle weist dann in einer geeigneten Ausgestaltung eine Schichtdicke im Bereich von 100 nm bis 200 nm auf, besonders bevorzugt ist eine mittlere Schichtdicke von 150 nm.
Bevorzugterweise bildet das Silizium in der Hülle (genauer gesagt ein zweiter Teil des Siliziums in der Hülle) zusammen mit dem Kohlenstoff und dem Stickstoff eine inaktive Matrix, in welche die Nanopartikel eingebettet sind. Die Nanopartikel sind ein aktives Material, enthalten nämlich Silizium, welches während eines Zyklus lithiiert und delithiiert wird. Die inaktive Matrix ist im Gegensatz dazu ein inaktives Material, welches entsprechend während eines Zyklus nicht lithiiert und delithiiert wird.
Die Erfindung geht zunächst von der Beobachtung aus, dass grundsätzlich ein Bedarf an einer Steigerung der Energiedichte von Batterien bei gleichzeitiger Bauraumbeschränkung besteht. Dies ist speziell relevant für elektrisch angetriebene Fahrzeuge jeglicher Art. Für Lithium-Ionen- Batterien ist es grundsätzlich möglich, Kohlenstoff oder Silizium als Anodenmaterial zu verwenden. Graphit (eine Konfiguration des Kohlenstoffs) beispielsweise weist jedoch eine geringe Energiedichte auf, deren theoretisches Maximum lediglich 372 mAh/g beträgt. Für Silizium ist die Energiedichte dagegen um eine Größenordnung größer und beträgt theoretisch maximal 3579 mAh/g. Daher ist die Verwendung von Silizium grundsätzlich zunächst vorteilhaft. Silizium weist jedoch auch einige Nachteile auf, speziell eine starke Volumenänderung bei der Lithiie- rung und Delithiierung (d.h. beim Laden und Entladen, also während eines Zyklus) sowie eine geringe elektrische Leitfähigkeit. Daraus ergeben sich weitere Probleme, insbesondere ein irreversibles Einfangen von Lithium (sogenanntes „lithium trapping“), mechanische Zerstörung des Anodenmaterials in Form von Brüchen oder Pulverisierung, elektrische Isolierung und eine instabile und fortwährende Ausbildung einer Feststoff-Elektrolyt-Zwischenphase (sogenannte SEI, für „solid-electrolyte interphase“). Insgesamt folgen daraus schlechte elektrochemische Eigenschaften, insbesondere ein großer, irreversibler Kapazitätsverlust speziell beim ersten Zyklus (d.h. Lade-/Entladezyklus) und bei langen Zyklen, eine Erhöhung des internen elektrischen Widerstands, eine schlechte Zykleneffizienz und eine drastische Abnahme der Kapazität mit fortschreitender Zyklenanzahl.
Um die Nachteile bei der Verwendung von Silizium zu reduzieren, sind verschiedene Lösungen denkbar und vorteilhaft. In einer geeigneten Ausgestaltung wird die Ausdehnung oder Größe des Siliziums angepasst, speziell verringert. Beispielsweise wird - wie oben bereits als vorteilhaft beschrieben - Silizium in Form von Nanopartikeln verwendet, um mechanische Belastungen und deren Effekte (Brüche und Pulverisierung) zu verringern. Außerdem wird auf diese Weise eine schnellere Diffusion von Lithiumionen erzielt sowie ein schnellerer Elektronentransfer. Ebenfalls vorteilhaft ist eine Beschichtung des Siliziums, allgemein des aktiven Materials, mit einem Material mit möglichst hoher elektrischer Leitfähigkeit, wodurch diese entsprechend insgesamt verbessert wird und wodurch ebenfalls Nebenreaktion an der Oberfläche des Siliziums (des aktiven Materials im Allgemeinen) vermindert werden, was die Gefahr von mechanischer Beschädigung weiter reduziert. Besonders vorteilhaft ist weiterhin eine Verdünnung des Siliziums, welches bezüglich des Lithiums ein aktives Material ist, mit einem bezüglich des Li- thiums inaktiven Material. Auf diese Weise wird die Volumenänderung bei der Lithiierung und Delithiierung reduziert, da das inaktive Material hierzu entsprechend nicht beiträgt. Die Verdünnung des aktiven Siliziums mit einem inaktiven Material verbessert zudem potentiell auch die elektrische Leitfähigkeit des Anodenmaterials insgesamt. Weiterhin vorteilhaft ist ein spezielles Leerraumdesign (d.h. „void space engineering“), d.h. eine absichtliche Erzeugung von Hohlräumen im Anodenmaterial, welche dann eine Volumenänderung aufnehmen und welche auch ein Anwachsen der Feststoff-Elektrolyt-Zwischenphase begrenzen. Ähnlich zur bereits beschriebenen Kombination von aktivem und inaktivem Material ist es auch vorteilhaft, spezielle Verbindungen zu verwenden, welche als aktives Material dann Kohlenstoff, z.B. in Form von Graphit aufweisen. Ein solches Anodenmaterial lässt sich regelmäßig besonders gut kalandrieren, sodass eine hohe Elektrodendichte erzielt wird.
Von den vorgenannten Lösungen werden vorliegend die Beschichtung des aktiven Materials, die Kombination des aktiven Materials mit einem inaktiven Material und die Verwendung spezieller Verbindungen als besonders vielversprechend und vorteilhaft angesehen. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass die Verwendung von Silizium-Nanopartikeln allein für sich genommen und ein Leerraumdesign nachteilig zu einer verringerten Energiedichte führen und eine entsprechende Batterie bei gleicher Energiedichte mehr Bauraum benötigt. Außerdem führt das Leerraumdesign zu einem großen, irreversiblen Kapazitätsverlust beim ersten Zyklus. Dies kann zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von Siliziumoxid (d.h. SiOx, wobei x die Teilchenanzahl von Sauerstoff relativ zum Silizium angibt) vermieden werden, Siliziumoxid hat aber weitere Nachteile, wie weiter unten noch beschrieben wird. Beispielsweise ist es vorteilhaft, Silizium-Nanopartikel in eine inaktive Matrix aus Siliziumoxid einzubetten, um die Volumenänderung beim Laden und Entladen zumindest teilweise zu unterdrücken. Alternativ oder zusätzlich enthält die inaktive Matrix Kohlenstoff, z.B. Graphit. Auch die Verwendung einer Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff ist entsprechend vorteilhaft.
Obwohl eine inaktive Matrix (d.h. ein inaktives Material, zur Einbettung des aktiven Materials) als Teil des Anodenmaterials grundsätzlich vorteilhaft ist, ergeben sich auch Nachteile hinsichtlich der elektrochemischen Eigenschaften. Beispielsweise können bei der Verwendung von Siliziumoxid dann in Nebenreaktionen Li2O und Li4SiO4 gebildet werden, was zu einem verringerten Coulomb- Wirkungsgrad führt. Dieser Prozess ist zudem irreversibel. Im Fall von Silizi- umcarbid werden zur Herstellung Silizium-Nanopartikel beispielsweise durch mechanisches Mahlen erzeugt, wobei sich dann aber an der Oberfläche der Silizium-Nanopartikel regelmäßig Siliziumoxid bildet, mit den genannten Nachteilen. Zusätzlich ist die inaktive Matrix aus Kohlen- stoff durch das Mahlen spröde und weist eine nur geringe mechanische Festigkeit auf, d.h. bricht leicht beim durch wiederholtes Laden/Entladen.
Als weitere Lösung kommt eine Vor-Lithiierung des Anodenmaterials vor der Herstellung der Batterie in Betracht, um den Lithiumverlust im ersten Zyklus zu kompensieren. Die Verwendung von Lithium ist jedoch generell problematisch und gefährlich, was durch die nun erhöhte Menge nur nachteilig verschärft wird.
Vorliegend wurde beobachtet, dass eine Einbettung von Silizium-Nanopartikeln in Siliziumcar- bid (SiCx) oder Siliziumnitrid (SiNx) besonders vorteilhaft ist und ein besonders geeignetes Anodenmaterial ergibt. Ein solches Anodenmaterial wird in einer geeigneten Ausgestaltung durch chemische Gasphasenabscheidung und somit durch thermische Zersetzung eines Gasgemisches hergestellt, welches vorzugsweise Monosilan in Kombination mit Ethylen (für Silizi- umcarbid) oder Ammoniak (für SiNx) enthält. Ein solches Anodenmaterial weist eine vorteilhaft verringerte Menge an irreversiblen Reaktionsprodukten auf sowie eine höhere reversible Kapazität. Ein Anodenmaterial mit Siliziumcarbid als inaktiver Matrix zeichnet sich zudem durch eine besonders hohe mechanische Festigkeit aus, speziell im Vergleich zu einfachem Kohlenstoff, und weist auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Ein Anodenmaterial mit Siliziumnitrid als inaktiver Matrix zeichnet sich dagegen durch eine besonders hohe I onenleitfähigkeit aus, speziell im Vergleich zu Siliziumoxid oder reinem Kohlenstoff, und weist auch ein verbessertes elektrochemisches Verhalten auf.
Entsprechend werden vorliegend Kohlenstoff und Stickstoff mit Silizium zu einem Anodenmaterial kombiniert, welches dann die genannten Vorteile der Verwendung von dieser beiden Elemente in Verbindung mit Silizium kombiniert. Der Kohlenstoff und der Stickstoff sind dabei insbesondere an der Bildung einer inaktiven Matrix beteiligt, in welche zumindest ein Teil des Siliziums als aktives Material eingebettet ist, vorzugsweise als Nanopartikel. In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden Kohlenstoff, Stickstoff und Silizium hierzu insbesondere verschiedene Verbindungen, welche dann gemeinsam die inaktive Matrix bilden. Bevorzugterweise ist die inaktive Matrix gebildet aus einer Vielzahl an Bereichen aus stickstoff-dotiertem Kohlenstoff (d.h. der Kohlenstoff bildet ein Gitter, welches vereinzelt Stickstoff aufweist), Siliziumnitrid (SiN), Siliziumcarbid (SiC) und/oder Siliziumcarbonitrid (SiCN), besonders bevorzugt aus allen diesen Verbindungen. Durch Experimente wurde bestätigt, dass ein Anodenmaterial mit einer solchen inaktiven Matrix auf Basis von SiCxNy z.B. im Vergleich zur Verwendung von lediglich SiNx oder lediglich SiCx eine verbesserte Zyklenstabilität aufweist, sowohl in einer Halbzellenkonfiguration wie auch in einer Vollzellenkonfiguration. Außerdem weist das Anodenmaterial auf Basis von SiCxNy gegenüber den genannten anderen Konfigurationen verbesserte elektrochemische Eigenschaften auf.
Abseits der bisher im Detail beschriebenen Hülle weisen die Partikel des Anodenmaterials auch einen Kern auf. Dessen Beschaffenheit ist vorliegend von untergeordneter Bedeutung, allerdings ist eine Ausgestaltung zweckmäßig, bei welcher der Kern ausschließlich aus Kohlenstoff besteht. Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei welcher der Kern massiv ist. Der Kohlenstoff bildet allgemein insbesondere ein Gerüst für die Hülle und hält und/oder stabilisiert diese. Ein Kern aus Kohlenstoff wird daher auch als kohlenstoffhaltiges Gerüst bezeichnet, unabhängig davon, ob der Kern gegebenenfalls massiv ist. Der Kern weist vorzugsweise einen mittleren Durchmesser auf, welcher ein bis zwei Größenordnungen größer ist als die Schichtdicke der Hülle. In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Kern einen mittleren Durchmesser von 500 nm bis 50 pm auf, besonders geeignet ist ein mittlerer Durchmesser von 1 pm bis 10 pm, insbesondere 5 pm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Partikel jeweils eine Umhüllung aus Kohlenstoff auf, in welche der Kern und die Hülle eingeschlossen sind. Der Kern ist somit sozusagen doppelt beschichtet, wobei die Hülle eine erste, innere Schicht bildet und die Umhüllung aus Kohlenstoff eine zweite, äußere Schicht. Die Umhüllung schließt sich vorzugsweise unmittelbar an die Hülle an. Die Umhüllung aus Kohlenstoff dient insbesondere als Füllmaterial zwischen den diversen Hüllen (und den davon umschlossenen Kernen) und beabstandet diese zueinander. Zweckmäßigerweise sind die Umhüllungen der Partikel miteinander verwachsen und/oder verbunden und bilden dann ein Netzwerk, in welches die Kerne mit Hüllen eingebettet sind, analog zu einem einzelnen Partikel, bei welchem in dessen inaktive Matrix die Nanopartikel eingebettet sind.
Für die jeweilige Form von Kern und Hülle sind verschiedenste Ausgestaltungen denkbar und geeignet. Vorzugsweise folgt die Hülle einer Außenkontur des Kerns und weist an jeder Stelle im Wesentlichen (d.h. mit einer Toleranz < 5%) die gleiche Schichtdicke auf. Auf diese Weise bildet die Hülle eine gleichmäßige Schale für den Kern. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei welcher der Kern und die Hülle eines jeweiligen Partikels zusammengenommen platten- oder stabförmig ausgebildet sind. Grundsätzlich geeignet ist aber auch eine Kugelform von Kern und Hülle. Eine erfindungsgemäße Batterie weist eine Anode auf, welche aus einem Anodenmaterial wie oben beschrieben hergestellt ist. Die Batterie ist vorzugsweise eine Lithium-Ionen-Batterie. Die Batterie dient vorzugsweise zur Versorgung eines elektrischen Antriebs eines Fahrzeugs.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials, insbesondere eines Anodenmaterials wie oben beschrieben. Das Anodenmaterial weist eine Anzahl an Partikeln auf, wobei ein jeweiliges Partikel einen Kern aufweist und eine Hülle, welche den Kern umgibt. Die Hülle wird mittels Gasphasenabscheidung, insbesondere chemische Gasphasenabscheidung, d.h. CVD, aus einem siliziumhaltigen Gas, einem kohlenstoffhaltigen Gas und einem stickstoffhaltigen Gas hergestellt. Das siliziumhaltige Gas ist vorzugsweise Monosilan (SiH4). Das kohlenstoffhaltige Gas ist vorzugsweise Ethen (C2H4). Das stickstoffhaltige Gas ist vorzugsweise Ammoniak (NH3). Geeigneterweise werden alle drei Gase zugleich angewendet, d.h. in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, und gerade nicht getrennt und in verschiedenen Verfahrensschritten. Durch die relativen Verhältnisse der Volumenströme der drei Gase zueinander und die jeweils verwendete Menge an Gas lassen sich die genaue Zusammensetzung und Form des Anodenmaterials, speziell der Partikel, im Detail einstellen. Weitere Parameter zur Beeinflussung der Herstellung und des daraus resultierenden Anodenmaterials sind Temperatur und Zeit während der Herstellung sowie Größe und Morphologie der Kerne des Anodenmaterials. Die optimalen Parameter können je nach Anwendungsfall des Anodenmaterials verschieden sein. Zweckmäßigerweise werden die jeweils optimalen Parameter für die Herstellung durch Experimente ermittelt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 ausschnittsweise ein Anodenmaterial,
Fig. 2 eine Batterie,
Fig. 3 einen Teil einer Hülle eines Partikels des Anodenmaterials aus Fig. 1 ,
Fig. 4 das Spannungsprofil dreier Halbzellen,
Fig. 5 spezifische Kapazität und Coulomb-Wirkungsgrad der drei Halbzellen aus Fig. 4,
Fig. 6 das Speicherfähigkeitsverhältnis der drei Halbzellen aus Fig. 4, Fig. 7 das Speicherfähigkeitsverhältnis für drei Vollzellen,
Fig. 8 chemische Gasphasenabscheidung zur Herstellung des Anodenmaterials aus Fig. 1.
In Fig. 1 ist ausschnittsweise ein Anodenmaterial 2 dargestellt, welcher ausgebildet ist zur Verwendung in einer Anode 4 einer Batterie 6, z.B. wie in Fig. 2 dargestellt. Die Batterie 6 weist weiter eine Kathode 8 auf und ist hier beispielhaft eine Lithium-Ionen-Batterie. Das Anodenmaterial 2 weist eine Anzahl von Partikeln 10 auf. Unter „eine Anzahl von“ wird „ein oder mehrere“ verstanden, typischerweise weist das Anodenmaterial 2 eine Vielzahl von Partikeln 10 auf. Ein einzelnes Partikel 10 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 50 pm auf, welcher sich als Mittelwert aus den verschiedenen Durchmessern D1 ergibt.
Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, weist ein jeweiliges Partikel 10 einen Kern 12 auf und eine Hülle 14, welche den Kern 12 unmittelbar umgibt. Die Hülle 14 enthält Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff und besteht hier ausschließlich aus Silizium, Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Verbindungen daraus. Abseits der genannten Elemente Silizium, Stickstoff und Kohlenstoff weist die Hülle 14 keine weiteren Elemente auf. Entsprechend wird die Hülle 14 auch als SiCxNy-Schicht bezeichnet, d.h. als Schicht aus Silizium in Kombination mit Kohlenstoff und Stickstoff.
Das Silizium der Hülle 14 dient vorliegend als aktives Material, welches beim Laden und Entladen entsprechend Lithiumionen aufnimmt und abgibt (dies wird als Lithiierung und Delithiierung bezeichnet). Das Anodenmaterial 2 ist somit ein siliziumbasiertes Anodenmaterial 2.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das Silizium in der Hülle 14 eine Vielzahl von Nanopartikeln 16. Dies ist in Fig. 3 erkennbar, welche einen Ausschnitt der Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung zeigt, sodass die Hülle 14 eines der Partikel 10 im Detail erkennbar ist. Die Nanopartikel 16 bestehen jeweils ausschließlich aus Silizium und werden daher auch als Silizium- Nanopartikel bezeichnet. Vorliegend weisen die Nanopartikel 16 einen mittleren Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 2 nm auf, welcher sich als Mittelwert aus möglicherweise verschiedenen Durchmessern D2 ergibt.
Die Nanopartikel 16 sind ein Teil der Hülle 14, sodass die Partikel 10 des Anodenmaterials 2 konsequenterweise größer sind als die Nanopartikel 16, typischerweise um eine oder mehrere Größenordnungen. Die Hülle 14 weist beispielsweise eine Schichtdicke D3 im Bereich von 100 nm bis 200 nm auf.
Das Silizium in der Hülle 14 bildet zusammen mit dem Kohlenstoff und dem Stickstoff eine inaktive Matrix 18, in welche die Nanopartikel 16 eingebettet sind. Die Nanopartikel 16 sind ein aktives Material, enthalten nämlich Silizium, welches während eines Zyklus lithiiert und delithiiert wird. Die inaktive Matrix 18 ist im Gegensatz dazu ein inaktives Material, welches entsprechend während eines Zyklus nicht lithiiert und delithiiert wird.
Wie bereits angedeutet, werden vorliegend Kohlenstoff und Stickstoff mit Silizium zu einem Anodenmaterial 2 kombiniert. Der Kohlenstoff und der Stickstoff sind dabei an der Bildung der inaktiven Matrix 18 beteiligt, in welche zumindest ein Teil des Siliziums als aktives Material eingebettet ist, hier als Nanopartikel 16. Im gezeigten Ausführungsbeispiel bilden Kohlenstoff, Stickstoff und Silizium hierzu verschiedene Verbindungen, welche dann gemeinsam die inaktive Matrix 18 bilden. Vorliegend ist die inaktive Matrix 18 gebildet aus einer Vielzahl an Bereichen aus stickstoff-dotiertem Kohlenstoff 20, Siliziumnitrid 22, Siliziumcarbid 24 und Siliziumcarbonitrid 26. In Fig. 3 wird zwischen stickstoff-dotiertem Kohlenstoff 20 und Siliziumcarbid 24 der Übersichtlichkeit halber nicht explizit unterschieden, sondern diejenigen Bereiche, welche Kohlenstoff und/oder Verbindungen mit Kohlenstoff abseits von SiCN aufweisen sind der Einfachheit halber zusammengefasst.
Die Fig. 4 bis 7 zeigen Ergebnisse von Experimenten, durch welche bestätigt wurde, dass ein Anodenmaterial 2 mit einer inaktiven Matrix 18 auf Basis von SiCxNy im Vergleich zur Verwendung von lediglich SiNx oder lediglich SiCx eine verbesserte Zyklenstabilität aufweist, sowohl in einer Halbzellenkonfiguration (vgl. Fig. 4 bis 6) wie auch in einer Vollzellenkonfiguration (vgl. Fig. 7). Dabei zeigt Fig. 4 das Spannungsprofil dreier Halbzellen, nämlich Anoden aus SiNx, SiCx und SiCxNy, im ersten Zyklus. Dabei ist die Spannung 28 (in V) der jeweiligen Halbzelle als Funktion der spezifischen Kapazität 30 (in mAh/g) angegeben. In Fig. 5 sind dann die spezifische Kapazität 30 (in mAh/g) auf der linken Seite und der Coulomb- Wirkungsgrad 32 (in %) auf der rechten Seite als Funktion der Zyklenanzahl 34 (dimensionslos) für die drei Halbzellen gezeigt. Fig. 6 zeigt das Ergebnis eines Entladeratentests für die drei Halbzellen. Dabei ist das Speicherfähigkeitsverhältnis 36 („capacity retention ratio“), d.h. die Speicherfähigkeit im Vergleich zum ersten Zyklus, als Funktion der Zyklenanzahl 34 gezeigt, wobei mit fortschreitenden Zyklen der Ladestrom erhöht wird (das Speicherfähigkeitsverhältnis entspricht insbesondere dem Verhältnis der spezifischen Kapazität in einem bestimmten Zyklus zur ursprünglichen spezifischen Kapazität im ersten Zyklus und gibt somit an, wieviel der ursprünglichen Speicherfä- higkeit nach einer bestimmten Zyklenanzahl noch erhalten ist). So beträgt der Ladestrom für den ersten Zyklus 0,2 C (C = A/Ah), für den zweiten bis vierten Zyklus 0,5 C, für den fünften bis siebten Zyklus 1 C, für den achten bis zehnten Zyklus 2 C und für den elften bis dreizehnten Zyklus 3 C. Fig. 7 zeigt schließlich ebenfalls das Speicherfähigkeitsverhältnis 36 als Funktion der Zyklenanzahl 34, nun allerdings für eine Vollzellenkonfiguration, nämlich drei Vollzellen mit Anoden aus SiNx, SiCx und SiCxNy mit dem Formfaktor 2032R.
Abseits der bisher im Detail beschriebenen Hülle 14 weisen die Partikel 10 des Anodenmaterials 2 auch einen Kern 12 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Kern 12 ausschließlich aus Kohlenstoff, welcher allgemein ein Gerüst für die Hülle 14 bildet und diese hält und/oder stabilisiert. Der Kern 12 weist beispielsweise einen mittleren Durchmesser auf, welcher ein bis zwei Größenordnungen größer ist als die Schichtdicke D3 der Hülle 14 und welcher sich als Mittelwert der verschiedenen Durchmesser D4 ergibt.
Zusätzlich weisen die Partikel 10 in der hier gezeigten Ausführungsform jeweils eine Umhüllung 38 aus Kohlenstoff auf, in welche der Kern 12 und die Hülle 14 eingeschlossen sind. Der Kern 12 ist somit doppelt beschichtet, wobei die Hülle 14 eine erste, innere Schicht bildet und die Umhüllung 38 aus Kohlenstoff eine zweite, äußere Schicht. Die Umhüllung 38 schließt sich unmittelbar an die Hülle 14 an. Die Umhüllung 38 dient zudem als Füllmaterial zwischen den diversen Hüllen 14 und beabstandet diese zueinander, wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist. Die Umhüllungen 38 der Partikel 10 sind hier sogar miteinander verwachsen und/oder verbunden und bilden dann ein Netzwerk, in welches die Kerne 12 mit Hüllen 14 eingebettet sind, analog zu einem einzelnen Partikel 10, bei welchem in dessen inaktive Matrix 18 die Nanopartikel 16 eingebettet sind.
Für die jeweilige Form von Kern und Hülle sind verschiedenste Ausgestaltungen denkbar. Vorliegend folgt die Hülle 14 einer Außenkontur des Kerns 12 und weist an jeder Stelle im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke D3 auf. Auf diese Weise bildet die Hülle 14 eine gleichmäßige Schale für den Kern 12. Weiter sind in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Kern 12 und die Hülle 14 eines jeweiligen Partikels 10 zusammengenommen platten- oder stabförmig ausgebildet sind. Grundsätzlich möglich ist aber auch eine hier nicht gezeigte Kugelform von Kern 12 und Hülle 14.
In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials 2 gezeigt. Dabei wird die Hülle 14 in einer Kammer 40 mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aus einem siliziumhaltigen Gas 42, einem kohlenstoffhaltigen Gas 44 und einem stickstoffhaltigen Gas 46 hergestellt. Das siliziumhaltige Gas 42 ist hier Monosilan (SiH4). Das kohlenstoffhaltige Gas 44 ist hier Ethen (C2H4). Das stickstoffhaltige Gas 46 ist hier Ammoniak (NH3). Alle drei Gase werden zugleich angewendet, d.h. in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, und gerade nicht getrennt und in verschiedenen Verfahrensschritten.
Bezugszeichenliste
2 Anodenmaterial
4 Anode
6 Batterie
8 Kathode
10 Partikel
12 Kern
14 Hülle
16 Nanopartikel
18 inaktive Matrix
20 stickstoff-dotierter Kohlenstoff
22 Siliziumnitrid
24 Siliziumcarbid
26 Siliziumcarbonitrid
28 Spannung
30 spezifische Kapazität
32 Coulomb- Wirkungsgrad
34 Zyklenanzahl
36 Speicherfähigkeitsverhältnis
38 Umhüllung
40 Kammer
42 siliziumhaltiges Gas
44 kohlenstoffhaltiges Gas
46 stickstoffhaltiges Gas
D1 Durchmesser (Partikel) D2 Durchmesser (Nanopartikel)
D3 Schichtdicke (Hülle)
D4 Durchmesser (Kern)

Claims

Patentansprüche Anodenmaterial (2), mit einer Anzahl an Partikeln (10), a. wobei ein jeweiliges Partikel (10) einen Kern (12) aufweist und eine Hülle (14), welche den Kern (12) umgibt, b. wobei die Hülle (14) Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff enthält. Anodenmaterial (2) nach Anspruch 1 , wobei das Silizium in der Hülle (12) eine Vielzahl von Nanopartikeln (16) bildet. Anodenmaterial (2) nach Anspruch 2, wobei die Nanopartikel (16) einen mittleren Durchmesser im Bereich von 0,5 nm bis 5 nm aufweisen. Anodenmaterial (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Silizium in der Hülle (14) zusammen mit dem Kohlenstoff und dem Stickstoff eine inaktive Matrix (18) bildet, in welche die Nanopartikel (16) eingebettet sind. Anodenmaterial (2) nach Anspruch 4, wobei die inaktive Matrix (18) gebildet ist aus einer Vielzahl an Bereichen aus stickstoffdotiertem Kohlenstoff (20), Siliziumnitrid (22), Siliziumcarbid (24) und Siliziumcarbonitrid (26). Anodenmaterial (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kern (12) ausschließlich aus Kohlenstoff besteht. Anodenmaterial (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Partikel (10) jeweils eine Umhüllung (38) aus Kohlenstoff aufweisen, in welche der Kern (12) und die Hülle (14) eingeschlossen sind. Anodenmaterial (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kern (12) und die Hülle (14) eines jeweiligen Partikels (10) zusammengenommen platten- oder stabförmig ausgebildet sind. Batterie (6) welche eine Anode (4) aufweist, welche aus einem Anodenmaterial (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist. erfahren zur Herstellung eines Anodenmaterials (2), mit einer Anzahl an Partikeln (10), a. wobei ein jeweiliges Partikel (10) einen Kern (12) aufweist und eine Hülle (14), welche den Kern (12) umgibt, b. wobei die Hülle (14) mittels Gasphasenabscheidung aus einem siliziumhaltigen Gas (42), einem kohlenstoffhaltigen Gas (44) und einem stickstoffhaltigen Gas (46) hergestellt wird.
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