WO2013189803A2 - Verfahren für die herstellung von kompositpulver, sowie für einen unter einsatz des kompositpulvers erzeugten porösen verbundwerkstoff für elektrochemische elektroden - Google Patents

Verfahren für die herstellung von kompositpulver, sowie für einen unter einsatz des kompositpulvers erzeugten porösen verbundwerkstoff für elektrochemische elektroden Download PDF

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Sascha Pihan
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the production of composite powder from a carbon precursor substance and active material as a semifinished product for a porous composite of electrochemical electrodes.
  • the invention relates to a method for producing a porous composite material for electrochemical electrodes using such a composite powder and the use of the composite material.
  • the operating principle of alkaline secondary batteries is based on the storage and removal (intercalation and deintercalation) of alkali ions in the positive electrode (cathode), which is adjacent to an electrolyte that allows the movement of the alkali ions.
  • the electrochemical ac- - - tivmaterial formed of lithium or lithium compounds which is present in the cathode as an electron acceptor, for example, as a composite material of a lithium oxide compound in intimate contact with an electrically conductive material, which also forms the electrode framework.
  • a widely used cathode material is lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and its ternary mixtures with nickel and manganese or also lithium iron phosphate (LiFePO 4 ).
  • the anode (negative electrode) of a lithium ion battery consists in the simplest case of a porous, intercalatable carbon matrix. It can reversibly take up and release lithium ions without significantly changing their structural and electrical properties.
  • metallic anode materials are also being developed that can complement or completely replace the carbon matrix. Suitable metals are capable of alloying with lithium at room temperature and thereby theoretically enable a significantly higher lithium loading and thus a higher specific charge capacity of the anode. Since these metals participate in the electrochemical reaction, they are also referred to in the literature as "active material” or "active metal matrix". Special attention is currently being paid to the active materials silicon, germanium and tin.
  • the volume of the cubic unit cell of the alloy Li 22 Si 5 is about 4 times larger than the volume of Si atoms involved.
  • composites of carbon and an active metal are promising candidates for future anode materials with high charge capacity and cycle life.
  • Diameter of 100 nm used as template material Diameter of 100 nm used as template material.
  • a 25 nm thick SnO 2 is deposited by hydrolysis of Na 2 SnO 3 and vapor deposition, and the template material is removed by etching.
  • a porous carbon layer with a thickness of 20 nm is then produced by pyrolysis of glucose under hydrothermal conditions and these are then carbonized by heating at 700 ° C to form a graphite layer.
  • the SnO 2 layer is reduced to metallic tin, which accumulates in the liquid phase under the action of surface tension to a plurality of spherical tin nanoparticles, which adhere to the inner wall of the graphite layer.
  • the nano-spheres obtained in this way consist of 74% by weight of tin nanoparticles and 26% by weight of carbon and provide a free internal volume for the incorporation of lithium with the tin nanoparticles.
  • the inner volume of the hollow spheres and the elasticity of the thin carbon shell reduce the formation of mechanical stresses during alloying with lithium or during alloying.
  • this Sn-C composite material is basically suitable as a semi-finished product for anodes of a lithium ion secondary battery.
  • manufacturing processes The one step with vapor deposition often involve such a costly and expensive that they for a production of mass products - such as secondary batteries for everyday needs - are out of the question.
  • a powder-based anode production is usually less time and cost intensive.
  • PVC and Si powders are mixed homogeneously in a weight ratio of 3: 7, and the mixture is pyrolyzed at a temperature of 900 ° C. for one hour.
  • the powder obtained after the pyrolysis is ground for 2 hours, re-mixed with PVC in the same weight ratio and subjected to further pyrolysis under the conditions already mentioned.
  • the effect of the second pyrolysis step is seen to be that the Si nanopowder particles are subsequently embedded in a carbon matrix and at the same time the free surface created by the milling process is reduced.
  • This multiphase composite structure buffers the increase in volume when lithium is alloyed in and allows a high charge capacity and cycle life to be maintained.
  • a further improved cycle life is achieved with a modification of this multiphase composite structure by homogeneously mulling the SiO 2 and graphite powders for 18 hours and adding the resulting powder mixture to furfuryl alcohol, ethanol and water, and adding hydrochloric acid to this suspension for polymerization.
  • the SiO powder decomposes into Si and SiO 2 phases.
  • Si phase regions with sizes around 5 to 10 nm are surrounded by SiO x phase and these in turn are finely dispersed in a carbon matrix.
  • the anode fabricated therefrom exhibits an initial charge capacity of 700 mAh / g which drops rapidly to 620 mAh / g after the first charge cycles and stabilizes at this value until the 200th cycle.
  • the high initial capacity loss is attributed to the irreversible incorporation of lithium into the SiO x phase, forming thermodynamically stable lithium silicates. - -
  • the mentioned review article also mentions anodes made of carbon aerogels, to which Si nanopowders are added.
  • resorcinol and formaldehyde are mixed and heated to a temperature of 85 ° C until a viscous airgel is obtained.
  • Si-nanopowder is added to the viscous airgel and then held at the temperature for 10 hours. This is followed by sintering at a temperature of 650 ° C to form a multi-phase structure in which the Si nanoparticles are homogeneously embedded in a highly porous, three-dimensional carbon matrix.
  • the high internal porosity of this composite can buffer the associated increase in volume even when a large amount of lithium is absorbed.
  • the anodes made from this material therefore show an extraordinarily high reversible charge capacity of 1450 mAh / g. but only up to 50 charging cycles.
  • the initial irreversible charge capacity of about 550 mAh / g is also very high, which can be attributed to the high internal surface area of the carbon matrix, which leads to irreversible losses of lithium ions in the anode.
  • the shortest possible charging times for a secondary battery are also sought.
  • easy accessibility of the internal surfaces of the electrode material for the electrolyte is desired.
  • electrode materials with a high surface area tend to incorporate lithium, which manifests itself as an irreversible loss in the intercalation of lithium and thus as a loss of charge.
  • a high permeability at the same time the lowest possible surface is advantageous.
  • a so-called “hierarchical porosity” proves to be advantageous: large surfaces can be provided by pores in the nanometer range, and in order to increase their accessibility to these pores they are ideally connected by a continuous macroporous transport system.
  • template methods For the production of porous carbon having such a pore structure, so-called “template methods” are known. A temporary preform of porous material (the “template”) is coated with carbon and the template material is finally removed.
  • suitable template materials SiO 2 gel, porous glass, alumina or other porous refractory oxides are known in DE 10 2010 005 954 A1 describes a template material produced on the basis of a soot deposition process for producing a porous carbon product, in which a porous SiO 2 template of agglomerated or aggregated SiO 2 nanoparticles is firstly obtained by hydrolysis or pyrolysis of a silicon-containing starting compound by means of a soot deposition process. The pores are infiltrated with a carbon precursor After carbonization, the SiO 2 template is removed by etching.
  • porous carbon product having a hierarchical pore structure with platelet or flake-like morphology that can be easily broken up into smaller particles which are further processed into shaped articles or layers for the production of electrodes of secondary batteries, for example by means of conventional paste or slip processes.
  • the patent application EP 2 487 746 A2 published according to the priority of the present application describes the preparation of a carbon-containing cathode for a secondary battery by mixing together a plurality of starting materials, the mixture is convectively dried and then thermally treated at 400 to 1200 ° C.
  • the starting substances contain a carbon source and other substances, such as iron or silicon.
  • the iron or iron compound may be present as powder with particle sizes between 50 and 750 nm.
  • Carbon sources include, among others, carbon black, graphite and natural and synthetic polymers, saccharides, organic acids, carbon nanotubes.
  • glucose is used, which is processed in a suspension with the other starting substances, during which the suspension is sprayed Temperatures in the range of 400 to 1200 ° C do not evaporate, but decompose, for example in the melt.
  • an electrode material which consists of discrete particles consisting of carbon and of transition metal compound, wherein the discrete particles of carbon touch either not or only at a single point. Carbon particles touch each other in any way; Particles of the transition metal compound are present separately. The carbon particles do not form a matrix for receiving active material particles.
  • the invention has for its object to provide a method for a cost-effective production of a composite powder of a carbon precursor substance and electrochemical active material.
  • Another object of the present invention is to provide a method which, using the non-porous or slightly porous composite powder, enables a reproducible production of a composite material for producing an electrode for a secondary battery, in particular for use as an anode material.
  • melt a homogeneous distribution of the nanoparticles of the active material is easier to achieve - optionally also supported by additional homogenization measures, such as stirring or refining - than in the solid state of matter.
  • additional homogenization measures such as stirring or refining - than in the solid state of matter.
  • a fusible carbon precursor substance is used without appreciable decomposition.
  • the melt contains nanoparticles of the active material. These have a particle size of less than 100 nm, preferably less than 40 nm. The smaller the particles are, the easier are the mechanical stresses due to a volume change due to the alloying (uptake of lithium) with the active material or through the alloying out (release of lithium) to distribute and compensate.
  • the homogeneous melt is finally processed into powder. This is done in the simplest and preferred case by the intermediate step of cooling and solidification of the melt to form a solid melt stock, which is then mechanically comminuted by conventional methods, such as by breaking or grinding. Alternatively, the melt is divided into drops in liquid or viscous form, such as by atomization or atomization.
  • the result of the process is in any case a composite powder of active material and of the carbon precursor substance.
  • the composite powder particles nanoparticles of the active material are homogeneous and embedded in a fine distribution in a matrix of the carbon precursor substance.
  • the carbon matrix produced from the melt usually has a low porosity.
  • the composite powder serves to provide the active material in a fine and homogeneous distribution and surrounded by a more or less porous carbon matrix. It can be used in this form as a semi-finished product for further processing into electrochemical components, in particular of electrodes of a lithium-ion secondary battery. A particularly suitable type of further processing of the composite powder will be explained in more detail below. - -
  • An improvement in terms of a homogeneous distribution of the active material in the melt and thus in the carbon matrix is achieved in that the production of the melt comprises a prior dry mixing of powders of the carbon precursor substance and the active material and the subsequent melting of the dry mixture ,
  • a composite powder of an average particle size of less than 100 ⁇ , preferably less than 50 ⁇ is generated.
  • particle sizes of less than 5 ⁇ are difficult to manufacture and manageable and not preferred.
  • the active material contains Si, preferably it is Si or an alloy of Si and Sn.
  • Silicon and tin are suitable for alloying with lithium atoms at room temperature and are a suitable active material for lithium secondary batteries.
  • the loading capacity of the anode increases with the proportion by weight of active material.
  • pure active material electrodes disintegrate because of the change in volume during the incorporation and alloying out of lithium, as already explained above.
  • the carbon matrix of the composite powder serves to provide a scaffold or sheath for buffering such volume changes.
  • the carbon matrix should have the lowest possible microporosity even after a carbonization process.
  • Micropores are characterized by a pore diameter of 2 nm and less. For this reason, pitch is preferably used as the carbon precursor substance.
  • Pitch in particular "mesophase pitch” is an uncombustible carbonaceous material which can be converted by carbonation relatively easily into a graphite-like structure with low microporosity, characterized, for example, by micropores with a pore diameter of less than 2 nm less than 10
  • a method which comprises the following method steps using the composite powder obtained by the method according to the invention:
  • the porous template particles according to process step (I) are prepared, for example, by grinding porous bodies out of the template material, by breaking layers of the template material, by pressing a finely divided powder from the template material, by sol-gel methods or by granulation methods.
  • the finer the templated particles the faster, more effective and even the infiltration takes place under otherwise identical process conditions.
  • a narrow, ideally monodisperse particle size distribution is advantageous, which is achieved for example by sieving.
  • Particles is the method according to the aforementioned DE 10 2010 005 954 A1.
  • the templated particles are produced on the basis of a soot deposition process.
  • this document is hereby expressly included in the present application.
  • prefabricated powders are provided both for the template material and for the composite material of carbon and active material, which are homogeneously mixed with one another in the solid state.
  • the homogenized powder mixture is then heated to such an extent that the carbon precursor of the composite powder melts in contact with the template particles and the melt can penetrate strongly wetting into the pores of the template powder.
  • nanoparticles of active material distributed in the melt also enter these pores.
  • the homogeneous powder mixture ensures that always molten carbon precursor in intimate contact with the
  • Templat particles is, so that there is a distribution and occupancy on the ready to be infiltrated pore volume of the template material.
  • the carbonization of the carbon precursor from the original composite powder takes place simultaneously or subsequently to infiltrate the pores of the temp lat particles.
  • For carbonation are generally temperatures up to - -
  • the carbonization is preferably carried out at a temperature well below 1000 ° C and under a gas as oxygen-free as possible or under vacuum.
  • the minimum temperature for the carbonization is determined by the decomposition temperature of the carbon precursor and is for example around 500 ° C.
  • the template material is removed from this mass so that an active material interspersed carbon framework remains from the carbonized porous composite material referred to herein as "composite material" of active material and carbon.
  • the removal of the inorganic template material is preferably carried out by chemical dissolution, wherein in the case of a SiO 2 template as solvents in particular acids (such as hydrofluoric acid) or bases (such as sodium hydroxide) are mentioned.
  • acids such as hydrofluoric acid
  • bases such as sodium hydroxide
  • the composite is essentially free of template material.
  • the inorganic template material thus serves only as a mechanically and thermally stable framework for depositing and carbonizing the carbon filled with active material.
  • the process product is a composite of more or less porous carbon and active material embedded in homogeneous distribution therein. Particularities of this composite, which makes it suitable for the production of - - make electrochemical devices - especially the anode - for lithium secondary batteries are:
  • the local fixation of the active material avoids a loss of active material and thus lithium alloy, and thus a gradual loss of charge.
  • the composite with the electrically conductive carbon matrix ensures a permanent electrical contact of the active material with good accessibility for an electrolyte.
  • the multimodal pore structure provides on the one hand transport channels through which the active material for electrolyte and lithium ions is accessible, and on the other hand a free pore volume, which can buffer volume changes due to the alloying and Auslegierens of lithium and active material, so that reduces mechanical stresses and disintegration of the Elekroden Vietnamese can be prevented or delayed.
  • the provision of the template particles comprises a soot deposition process, in which a feedstock is converted by hydrolysis or pyrolysis to template material particles and deposited on a deposition surface to form a soot body from the template material, and that the soot body to the template particles is crushed.
  • the inventive composite material preparation of the template comprises a vapor deposition of agglomerated carbon black particles, which are obtained as a porous "soot" - - Gaseous starting substance of a chemical reaction (hydrolysis or pyrolysis) subjected and deposited from the gas phase as a solid component on a deposition surface.
  • the reaction zone is, for example, a burner flame or an arc (plasma).
  • plasma or CVD deposition processes known for example by the names OVD, VAD, MCVD, PCVD or FCVD processes, synthetic quartz glass, tin oxide, titanium nitride and other synthetic materials are produced on an industrial scale.
  • the template material is produced as a porous soot on the deposition surface, which can be, for example, a vessel, a mandrel, a plate or a filter. This is ensured by keeping the temperature of the deposition surface low enough to prevent dense sintering of the deposited template material.
  • a thermally solidified but porous "soot body" is obtained.
  • the template material can also be obtained in the form of soot powder, which is subsequently further processed by granulation, pressing, slurry or sintering processes to form the template particles. Intermediates are granules or slugs.
  • the template is a soot structure with netlike nanoparticles.
  • the etching away of the template material can be done by advancing the etchant within the soot structure itself.
  • the template material is SiO 2 .
  • Synthetic SiO 2 can be produced relatively inexpensively by means of soot deposition processes using inexpensive starting substances on an industrial scale.
  • the SiO 2 template withstands high temperatures during carbonization.
  • the upper temperature limit is set by the onset of the reaction of SiO 2 with carbon to SiC (at about 1000 ° C.).
  • the removal of the template material in the form of synthetic SiO 2 according to process step (e) is effected by chemical dissolution in an acid or a lye. - -
  • this production-related has an anisotropic mass distribution with a hierarchical pore structure. This is because in the gas phase deposition, primary particles form in the reaction zone and collect on their way to the deposition surface to nanoparticles. Depending on the degree of interaction with the reaction zone on its way to the deposition surface, a different number of primary particles are combined, so that in principle results in a broad particle size distribution of the nanoparticles in the range of about 5 nm to about 200 nm. The nanoparticles are connected to each other via so-called sintering necks.
  • a certain thermal solidification of the soot body is desired and is achieved by partially sintering the soot body either during the deposition process or, alternatively, or in a separate heating process subsequent to the deposition process, so as to form a porous, coherent template framework.
  • template particles in which spherical nanoparticles are aggregated or agglomerated into larger units and connected to one another via so-called "sintering necks.”
  • the soot-deposited layer of the template material can be comminuted with little effort to give template particles with a platelike or flake-like morphology
  • Such template particles which are distinguished by a non-spherical morphology, are particularly advantageous for use in the process according to the invention
  • For particles with spherical morphology ie particles with a spherical shape or approximately spherical morphology, show a small surface in relation to their volume.
  • particles with non-spherical morphology show a greater surface area to volume ratio, which simplifies and uniforms infiltration with the molten composite material.
  • the template particles have an average thickness in the range from 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably in the range from 20 ⁇ m to 5 100 ⁇ m, particularly preferably less than 50 ⁇ m.
  • Templat particles with a thickness of less than 10 ⁇ have a low mechanical strength and complicate the formation of a pronounced Hierarchical pore structure. At thicknesses of more than 500 ⁇ it is increasingly difficult to ensure a homogeneous infiltration of the molten composite material zu0.
  • composite powder and template particles are mixed with one another in a volume ratio in the range between 0.05 and 1.6, preferably in a volume ratio in the range between 0.1 and 0.85.
  • the inner surfaces of the template material are coated with only one layer of small thickness, so that only results in a sponge-like web of carbon + active material. Even smaller mixing ratios are therefore not preferred.
  • a mixing ratio above 1.6 a small pore space remains.
  • nanoparticles of the active material are embedded in a porous carbon matrix 5 and accessible via an open pore channel system for an electrolyte.
  • Volumes occupied by spherical nanoparticles and their aggregates / agglomerates prior to removal of the template material now represent cavities that are three-dimensionally interlinked via former, now open sintered necks.
  • the active material is thus embedded in a carbon matrix and simultaneously via open, over the former sintering necks of the template material - - Interconnected localized cavities formerly occupied by the nanoparticles were accessible to an electrolyte.
  • the mean sizes of cavities are in the range of mesopores, which typically have a pore size in the range of 2 to 50 nm, and above.
  • a cost-effective composite material of porous carbon and relatively high electrical conductivity is obtained in direct connection with an active material for electrochemical energy storage according to the invention.
  • the active material particles with sizes in the nanometer range contained in the composite material are suitable for incorporating further substances, in particular lithium, so that the composite product is particularly suitable for use as an electrode material.
  • the above-stated object is thus achieved according to the invention in that these components are used to produce an anode for a rechargeable lithium battery.
  • the composite powder is characterized by a homogeneous embedding of active material in a matrix of a carbon precursor and is suitable to be further processed in other ways to electrochemical components.
  • the composite material is obtained as a monolith or with platelet-like or flake-like morphology, which easily leads to smaller particles - - can be divided.
  • These are further processed by means of conventional paste or slip processes to form bodies or layers to form an electrode, for example for a lithium battery, using the methods known from the prior art.
  • a porous template with soot structure is used for the production of the composite material, the inner surfaces of the pores and cavities are coated with the composite material of carbon precursor and active material, so that the predetermined in the template pore structure and particle distribution is more or less transferred to this coating.
  • the nanoparticles of active material embedded in the carbon matrix are reliably electrically contacted in the composite material via a three-dimensional carbon network.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for the production of SiO 2 granulate particles, which is described as
  • Templat particles serve in the inventive method
  • Density also does not result in settling or floating of the Si nanoparticles. On a stirring of the melt can therefore be dispensed with.
  • the pitch melt cools to a melted slug in which Si nanoparticles are now largely homogeneous and finely distributed.
  • the melted slug is crushed to a composite powder by means of a ball mill.
  • the composite powder consists of a largely dense pitch matrix in which Si nanoparticles are embedded.
  • Particle sizes between 10 and 30 ⁇ be sieved for further processing. They serve as the first component for the production of a composite material.
  • the apparatus shown in FIG. 1 serves to produce porous granulate particles of SiO 2 , which are used as hard-templated particles 13 in the method according to the invention.
  • the device comprises a drum 1 rotatable about its axis of rotation 2, which consists of a base made of stainless steel, which is covered with a thin layer of silicon carbide.
  • the drum 1 has an outer diameter of 30 cm and a width of 50 cm.
  • a layer 5 of SiO 2 -Soot is deposited and easily thermally densified to form a porous SiO 2 soot plate 5a.
  • flame hydrolysis burners 4 are used, four of which are arranged one behind the other in a common burner row 3 in the direction of the drum longitudinal axis 2.
  • the burner row 3 is moved parallel to the axis of rotation 2 between two stationary inflection points back and forth.
  • the flame hydrolysis burners 4 are fed as fuel gases oxygen and hydrogen and octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS) as a feedstock for the formation of SiO 2 particles.
  • OCTS octamethylcyclotetrasiloxane
  • the size of the SiO 2 primary particles produced in this process is in the nanometer range, with several primary particles coming together in the burner flame 6 and in the form of more or less spherical aggregates having a BET specific surface area in the range of - -
  • the rotational speed of the drum 1 and the deposition rate of the flame hydrolysis burner 4 are tuned so that a SiO 2 soot layer 5 with a width of about 40 cm and a thickness of about 45 ⁇ results (the soot layer is exaggerated in Figure 1 for illustrative purposes thick drawn).
  • the burners 4 at the same time bring about a certain pre-sintering of the soot layer 5 to a soot plate 5a by producing an average temperature of about 1200 ° C. on the surface of the topmost soot layer.
  • the pre-sintering is assisted by a tubular infrared radiator 14, which is arranged inside the drum 1 designed in the form of a hollow drum in the left lower quadrant and which heats the lateral surface of the drum 1 shortly after the application of the soot layer 5 from the inside.
  • a tubular infrared radiator 14 which is arranged inside the drum 1 designed in the form of a hollow drum in the left lower quadrant and which heats the lateral surface of the drum 1 shortly after the application of the soot layer 5 from the inside.
  • the porous, slightly pre-sintered soot plate 5a thus obtained has a mean relative density of about 22% (based on the density of quartz glass with 2.21 g / m 3 ).
  • the soot plate 5a After a little more than half a turn of the drum, the soot plate 5a reaches the area of action of a blower 7, by means of which a gas flow directed against the underside of the soot plate 5a is generated, so that the soot plate 5a lifts off the drum jacket surface 1a.
  • the soot plate 5a is then fed via a support roller 8 to a breaking tool 9, which consists of two counter-rotating rollers 10a, 10b, between which a gap with the thickness of the soot plate 5a is provided, and whose surfaces are provided with longitudinal profiles.
  • a partition wall 12 is provided, which is provided with an opening for the passage of the soot plate 5a - - and which serves to shield the Sootabscheidereaes of the effects of the crushing process.
  • the template particles 13 obtained by the method have a platelet-like or flake-like morphology and a thickness which corresponds approximately to the thickness of the soot plate 5 a, ie about 45 ⁇ m. They show more or less flat top and bottom surfaces as well as lateral fracture surfaces with open pores.
  • the Structy of the Tartylcholine was separated by sieving for further processing.
  • the SiO 2 template particles 13 thus produced serve, in addition to the composite powder described above, as a further component for the production of a composite material. Its manufacture is explained in more detail below using an example and with reference to FIGS. 2 to 5. 3. Production of a composite material from 1. Component and 2nd component
  • the non-spherical, platelet-shaped template particles 13 are composed of a multiplicity of spherical aggregates of SiO 2 primary particles, which are connected to one another and thus form a "soot framework.”
  • a single such primary particle aggregate 16 is shown in FIG schematically shown, which thus shows a section of a "soot scaffold”.
  • the composite powder (as the first component) and the SiO 2 primary particle aggregates 16 (as the second component) are homogeneously mixed with one another in a volume ratio of 1: 1 (composite powder: primary particle aggregate) by means of a mixer.
  • the mixing time is about 5 min.
  • the particle mixture is then heated to a temperature of 300 ° C.
  • the low-viscosity pitch interspersed with Si nanoparticles 14 thereby envelops the small SiO 2 primary particle aggregates 16 and penetrates into the pores and infiltrates them.
  • Aggregate is chosen so that the pitch fills the pores so far that after an infiltration time of 30 min hardly a significant free pore volume remains.
  • FIG. 3 schematically shows the composite of primary particle aggregate 16 thus obtained, enveloped by a pitch layer 15 interspersed with Si nanoparticles 14.
  • the temperature is raised to 700 ° C. under nitrogen and the pitch of the composite layer is reduced to carbon (carbonated).
  • the original pitch layer then forms a graphite-like carbon layer 19 of lesser thickness.
  • the embedded Si nanoparticles 14 are partially exposed or they get closer to the surface of the primary particle aggregate 16 or closer to the free surface, as Figure 4 shows schematically.
  • the carbon layer 19 has a low porosity and is on average about 50 nm thick. In the context, it should be noted that the representation of Figures 2 to 5 is not to scale.
  • FIG. 5 schematically shows the composite material having the composite structure 18 obtained after etching away the SiO 2 primary particle aggregate. This consists of a graphite-like carbon layer 19 into which nanoparticles 14 made of silicon are embedded.
  • the carbon layer 19 forms the inner wall of a cavity 17, the original of a SiO 2 nanoparticle agglomerate - ie - - was occupied by a primary particle aggregate 16 -.
  • the Si nanoparticles 14 are at least partially freely accessible.
  • the composite structure 18 extends in all spatial directions and represents approximately a negative image of the mass distribution of the original SiO 2 primary particle aggregate 16. It has a hierarchical pore structure and forms the composite material loaded with active material 14 within the meaning of the invention.
  • the cavity 17 is not closed, but fluidly connected to other meso and macropores. It provides a free pore volume and surface area over which the Si active material fixed in the carbon matrix is accessible to an electrolyte and lithium for alloy formation.
  • the resulting composite structure 18 is further comminuted as needed. Carbon flocks loaded with active material are obtained in which a finely jointed, rugged surface of larger cavities is channel-like. These carbon flakes with hierarchical pore structure are particularly well suited for the production of electrode layers of a rechargeable battery.

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Abstract

Es geht bei der Erfindung einerseits um ein Verfahren für eine kostengünstige Herstellung eines Kompositpulvers aus Kohlenstoff und elektrochemischem Aktivmaterial. Es wird vorgeschlagen, eine Schmelze aus einerschmelzbaren Kohlenstoff-Vorläufersubstanz mit in der Schmelze verteilten Nanoteilchen aus einem Aktivmaterial bereitzustellen, und diese zu dem Kompositpulver zu zerteilen, in dem Nanoteilchen aus dem Aktivmaterial in eine Matrix aus der Kohlenstoff-Vorläufersubstanz eingebettet sind. Ein unter Einsatz des Kompositpulvers erzeugter poröser Verbundwerkstoff dient zur Herstellung einer Elektrode für eine Sekundärbatterie, insbesondere für einen Einsatz als Anodenmaterial. Die Herstellung des Verbundwerkstoffs umfasst folgende Verfahrensschritte: Bereitstellen von Templat-Partikeln aus anorganischem Templatmaterial, Erzeugen einer Pulvermischung aus dem Kompositpulver und den Templat-Partikeln, Erhitzen der Pulvermischung und Erweichen des Kompositpulvers derart, dass dieses in die Poren eindringt und carbonisiert wird, und Entfernen des Templatmaterials unter Bildung des porösen elektrochemischen Verbundwerkstoffs.

Description

Verfahren für die Herstellung von Kompositpulver, sowie für einen unter Einsatz des Kompositpulvers erzeugten porösen Verbundwerkstoff für elektrochemische Elektroden
Beschreibung
Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kompositpul- ver aus einer Kohlenstoff-Vorläufersubstanz und Aktivmaterial als Halbzeug für einen porösen Verbundwerkstoff elektrochemischer Elektroden.
Außerdem geht es bei der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Verbundwerkstoffs für elektrochemische Elektroden unter Einsatz eines derartigen Kompositpulvers sowie um die Verwendung des Verbundwerkstoffs.
Im Zuge der Entwicklung tragbarer Elektronikgeräte und von Automobilen mit elektrischem Antrieb steigt die Nachfrage nach wiederaufladbaren Batterien („Akkumulatoren" oder„Sekundärbatterien"). Grundlegende Anforderungen sind eine hohe Zellspannung, hohe Ladekapazität bei möglichst niedrigem Äquivalenzgewicht. Außerdem wird eine hohe Zyklenlebensdauer gefordert, die eng mit Kapazitätsverlusten bei Lade- und Entladevorgängen zusammenhängt. Im Hinblick da- rauf werden herkömmliche Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Zellen mehr und mehr von Alkali-Sekundärbatterien, insbesondere Lithium-Ionenzellen verdrängt.
Stand der Technik
Das Funktionsprinzip von Alkali-Sekundärbatterien beruht auf dem Einlagern und Auslagern (Interkalation und Deinterkalation) von Alkali-Ionen in die positive Elektrode (Kathode), die dabei an einen Elektrolyten angrenzt, der die Bewegung der Alkalionen zulässt. Bei Lithiumionen-Batterien wird das elektrochemische Ak- - - tivmaterial von Lithium oder Lithium-Verbindungen gebildet, das in der Kathode als Elektronenakzeptor vorliegt, beispielsweise als Verbundwerkstoff aus einer oxidischen Lithiumverbindung in innigem Kontakt mit einem elektrisch leitenden Werkstoff, der gleichzeitig das Elektrodengerüst bildet. Ein weit verbreiteter Ka- 5 thodenwerkstoff ist Lithiumcobaltoxid (LiCoO2) sowie dessen ternäre Mischungen mit Nickel und Mangan oder auch Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4).
Die Anode (negative Elektrode) einer Lithiumionen-Batterie besteht im einfachsten Fall aus einer porösen, interkalationsfähigen Kohlenstoffmatrix. Diese kann Lithiumionen reversibel aufnehmen und abgeben, ohne dass sich ihre strukturell e) len und elektrischen Eigenschaften wesentlich verändern. Gegenwärtig sind auch metallische Anoden-Werkstoffe in der Entwicklung, die die Kohlenstoffmatrix ergänzen oder vollständig ersetzen können. Geeignete Metalle sind zur Legierungsbildung mit Lithium bei Raumtemperatur in der Lage und ermöglichen dadurch theoretisch eine deutlich höhere Lithiumbeladung und damit eine höhere 15 spezifische Ladekapazität der Anode. Da diese Metalle an der elektrochemischen Umsetzung mitwirken, werden sie in der Literatur auch als„Aktivmaterial" oder „aktive Metallmatrix" bezeichnet. Besondere Beachtung finden derzeit die Aktivmaterialien Silizium, Germanium und Zinn.
So ist beispielsweise ein einziges Siliziumatom in der Lage bis zu 4,4 Lithiumato- 20 me in einer Legierung zu binden, was zu der Legierungszusammensetzung Li22Si5 (=Li44Si) führt. Bezogen auf das Gewicht hat Silizium daher die theoretisch höchste Ladekapazität von 4200 mAh/g.
Allerdings geht mit dieser Legierungsbildung auch eine Volumenänderung einher, die innerhalb weniger Auflade- und Entladezyklen zu einem Zerfall der Elektrode
25 und einem raschen Kapazitätsverlust führen kann. So ist beispielsweise das Volumen der kubischen Einheitszelle der Legierung Li22Si5 um etwa das 4-fache größer ist als das Volumen der beteiligten Si-Atome.
Um diese Wirkung der Volumenänderung abzudämpfen, sind eine Vielzahl von Methoden vorgeschlagen worden. Eine Zusammenfassung mit Stand Juni 2006
30 ergibt sich aus dem Review-Artikel von Uday Kasavajjula, Chunsheng Wang, - -
John Appleby, Nano- and. Bulk-Silicon-Based Insertion Anodes for Lithium-Ion. Secondary Cells, J. Power Sources, Vol. 163 (2007), S. 1003-1039.
Demnach sind Verbundwerkstoffe aus Kohlenstoff und einem aktiven Metall vielversprechende Kandidaten für zukünftige Anodenwerkstoffe mit hoher Ladekapa- zität und Zyklenlebensdauer.
Gute Ergebnisse wurden mit beispielsweise mit Nanoverbundwerkstoffen erzielt, bei denen Zinn-Nanopartikel in Hohlsphären aus Kohlenstoff mit extrem dünner Wandung eingelagert sind (Wei-Min Zhang et al.;„Tin-Nanoparticles Encapsula- ted in Elastic Hollow Carbon Spheres for High-Performance Anode Material in Lithium-Ion Batteries"; Adv. Mater. 2008 (20), S. 1 160-1 165). Zur Herstellung der metallhaltigen Hohlsphären werden monodisperse SiO2-Partikel mit einem
Durchmesser von 100 nm als Templatmaterial eingesetzt. Auf den Partikeln wird durch Hydrolyse von Na2SnO3 und Gasphasenabscheidung eine 25 nm dicke SnO2 abgeschieden und das Templatmaterial durch Ätzen entfernt. Auf den SnO2- Hohlsphären wird anschließend durch Pyrolyse von Glukose unter hydrothermalen Bedingungen eine poröse Kohlenstoffschicht mit einer Dicke von 20 nm erzeugt und diese anschließend durch Erhitzen bei 700 °C zu einer Graphitschicht carbonisiert. Wegen der reduzierenden Wirkung des Kohlenstoffs und der hohen Temperatur wird dabei die SnO2-Schicht zu metallischem Zinn reduziert, das sich in flüssiger Phase unter Wirkung der Oberflächenspannung zu einer Vielzahl sphärischer Zinn-Nanopartikel ansammelt, die an der Innenwandung der Graphitschicht anhaften.
Die so erhaltenen Nano-Sphären bestehen zu 74 Gew.-% aus Zinn-Nanopartikeln und zu 26 Gew.-% aus Kohlenstoff und stellen ein freies Innenvolumen für die Einlegierung von Lithium mit den Zinn-Nanopartikeln zur Verfügung. Das Innenvolumen der Hohlsphären und die Elastizität der dünnen Kohlenstoffhülle vermindern die Entstehung mechanischer Spannungen beim Legieren mit Lithium beziehungsweise beim Auslegieren.
Dieser Sn-C-Verbundwerkstoff eignet sich zwar grundsätzlich als Halbzeug für Anoden einer Lithiumionen-Sekundärbatterie. Allerdings sind Fertigungsprozesse, die einen Verfahrensschritt mit Gasphasenabscheidung beinhalten häufig so aufwändig und teuer, dass sie für eine Herstellung von Massenprodukten - wie Sekundärbatterien für den alltäglichen Bedarf - nicht in Betracht kommen.
Eine auf Pulververarbeitung basierende Anodenfertigung ist in der Regel weniger zeit- und kostenintensiv. Bei einem aus dem oben zitierten Review-Artikel bekannten Herstellungsverfahren dieser Gattung werden PVC- und Si-Pulver im Gewichtsverhältnis von 3:7 homogen vermischt und das Gemisch eine Stunde lang bei einer Temperatur von 900 °C pyrolysiert. Das nach der Pyrolyse erhaltene Pulver wird 2 Stunden vermählen, erneut mit PVC im selben Gewichtsverhält- nis vermischt und einer weiteren Pyrolyse unter den bereits genannten Bedingungen unterzogen.
Die Wirkung des zweiten Pyrolyseschrittes wird darin gesehen, dass die Si- Nanopulverteilchen danach in eine Kohlenstoff-Matrix eingebettet sind und gleichzeitig die durch den Mahlvorgang erzeugte freie Oberfläche verringert ist. Diese Multiphasen-Verbundstruktur puffert den Volumensprung beim Einlegieren von Lithium ab und ermöglicht die Beibehaltung einer hohen Ladekapazität und Zyklenlebensdauer.
Eine weiter verbesserte Zyklenlebensdauer wird mit einer Abwandlung dieser Multiphasen-Verbundstruktur erreicht, indem SiO- und Graphitpulver 18 Stunden lang homogen vermählen und das erhaltene Pulvergemisch in Furfuryl-Alkohol, Ethanol und Wasser aufgenommen und diese Suspension zwecks Polymerisation mit Salzsäure versetzt wird. Durch Carbonisieren bei 1000 °C zerfällt das SiO- Pulver in Si- und SiO2-Phasen. Si-Phasenbereiche mit Größen um 5 bis 10 nm sind dabei von SiOx-Phase umgeben und diese wiederum feinteilig in einer Koh- lenstoffmatrix dispergiert. Die daraus gefertigte Anode zeigt eine anfängliche Ladekapazität von 700 mAh/g, die rasch nach den ersten Ladezyklen auf 620 mAh/g abfällt und sich auf diesem Wert bis zum 200. Zyklus stabilisiert.
Der hohe anfängliche Kapazitätsverlust wird auf den irreversiblen Einbau von Lithium in die SiOx-Phase zurückgeführt, wodurch sich thermodynamisch stabile Lithiumsilikate bilden. - -
Im genannten Review-Artikel sind auch Anoden aus Carbon-Aerogelen erwähnt, denen Si-Nanopulver beigemischt wird. Zur Herstellung des Gels werden Resor- cinol und Formaldehyd vermischt und auf eine Temperatur von 85 °C erhitzt, bis ein viskoses Aerogel erhalten wird. Dem viskosen Aerogel wird Si-Nanopulver zugesetzt und danach 10 Stunden lang auf der Temperatur gehalten. Anschließend erfolgt ein Sintern bei einer Temperatur von 650 °C unter Ausbildung einer Multiphasenstruktur bei der die Si-Nanoteilchen homogen in einer hochporösen, dreidimensionalen Kohlenstoffmatrix eingebettet sind.
Die hohe innere Porosität dieses Verbundwerkstoffs kann auch bei Aufnahme ei- ner großen Menge an Lithium die damit verbundene Volumenzunahme abpuffern. Die aus diesem Werkstoff hergestellten Anoden zeigen daher eine außergewöhnlich hohe reversible Ladekapazität um 1450 mAh/g. jedoch nur bis zu 50 Ladezyklen. Allerdings ist die anfängliche irreversible Ladekapazität mit etwa 550 mAh/g ebenfalls sehr hoch, was auf die hohe innere Oberfläche der Kohlenstoffmatrix zurückgeführt werden kann, die zu irreversiblen Verlusten von Lithium-Ionen in der Anode führt.
Neben hohen Ladekapazitäten werden für eine Sekundärbatterie auch möglichst kurze Aufladezeiten angestrebt. Für eine gute Schnellladefähigkeit ist eine leichte Zugänglichkeit der inneren Oberflächen des Elektrodenmaterials für den Elektro- lyten erwünscht. Andererseits neigen Elektrodenmaterialien mit großer Oberfläche zum Einbau von Lithium, was sich als irreversibler Verlust bei der Interkalati- on von Lithium und damit als Ladungsverlust äußert.
Daher ist eine hohe Durchlässigkeit bei gleichzeitig möglichst geringer Oberfläche vorteilhaft. In dem Zusammenhang erweist sich eine so genannte„hierarchische Porosität" als vorteilhaft. Große Oberflächen können durch Poren im Nanometer- bereich bereitgestellt werden. Um die Zugänglichkeit zu diesen Poren zu steigern, sind diese idealerweise über ein durchgängiges makroporöses Transportsystem verbunden.
Für die Herstellung von porösem Kohlenstoff mit einer derartigen Porenstruktur sind sogenannte„Templatverfahren" bekannt. Dabei werden die Oberflächen ei- - - ner temporäre Vorform aus porösem Material (dem„Templat") mit Kohlenstoff beschichtet und das Templatmaterial wird abschließend entfernt. Als geeignete Templatmaterialien sind SiO2-Gel, poröses Glas, Aluminiumoxid oder andere poröse hitzebeständige Oxide bekannt. In der DE 10 2010 005 954 A1 ist ein auf Basis eines Soot-Abscheideprozesses erzeugtes Templatmaterial zur Herstellung eines porösen Kohlenstofferzeugnisses beschrieben. Dabei wird durch Hydrolyse oder Pyrolyse einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung mittels eines Soot-Abscheideprozesses zunächst ein poröses SiO2-Templat aus agglomerierten oder aggregierten SiO2-Nanopartikeln er- zeugt. Die Poren werden mit einer Kohlenstoff- Vorläufersubstanz infiltriert. Nach dem Carbonisieren wird das SiO2-Templat durch Ätzen entfernt.
Zurück bleibt ein poröses Kohlenstofferzeugnis mit hierarchischer Porenstruktur mit plättchen- oder flockenartiger Morphologie, das leicht zu kleineren Partikeln zerteilt werden kann, die zur Herstellung von Elektroden von Sekundärbatterien beispielsweise mittels üblicher Pasten- oder Schlickerverfahren zu Formkörpern oder Schichten weiterverarbeitet werden.
Die nach dem Priorität der vorliegenden Anmeldung veröffentlichte Patentanmeldung EP 2 487 746 A2 beschreibt die Herstellung eine kohlenstoffhaltigen Kathode für eine Sekundärbatterie, indem eine Vielzahl von Ausgangssubstanzen mit- einander vermischt, die Mischung konvektiv getrocknet und anschließend bei 400 bis 1200 °C thermisch behandelt wird. Die Ausgangssubstanzen enthalten eine Kohlenstoffquelle und andere Substanzen, wie beispielsweise Eisen oder Silici- um. Das Eisen oder die Eisenverbindung kann als Pulver mit Teilchengrößen zwischen 50 und 750 nm vorliegen. Als Kohlenstoffquelle werden unter anderem Ruß, Graphit und natürliche und synthetische Polymere, Saccharide, organische Säuren, Kohlenstoff-Nanoröhren genannt. Im Ausführungsbeispiel wird„Glukose" eingesetzt, die in einer Suspension mit den anderen Ausgangssubstanzen verarbeitet wird, und dabei die Suspension versprüht wird. Es sollen auch Kohlenstoffquellen geeignet sein, die bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 1200 °C nicht verdampfen, sondern sich zersetzen, beispielsweise in der Schmelze.
Bei dem bekannten Verfahren wird ein Elektrodenmaterial erhalten, das sich aus diskreten Partikeln bestehend aus Kohlenstoff und aus Übergangsmetallverbin- dung zusammensetzt, wobei sich die diskreten Partikel aus Kohlenstoff entweder nicht oder nur an einem einzigen Punkt berühren. Kohlenstoff-Partikel berühren sich untereinander nach beliebiger Art; Partikel der Übergangsmetallverbindung liegen separat vor. Die Kohlenstoff-Partikel bilden keine Matrix zur Aufnahme von Aktivmaterial-Teilchen. Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine kostengünstige Herstellung eines Kompositpulvers aus einer Kohlenstoff-Vorläufersubstanz und elektrochemischem Aktivmaterial bereitzustellen.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das unter Einsatz des nicht oder wenig porösen Kompositpulvers eine reproduzierbare Herstellung eines Verbundwerkstoffs zur Herstellung einer Elektrode für eine Sekundärbatterie, insbesondere für einen Einsatz als Anodenmaterial, ermöglicht.
Allgemeine Darstellung der Erfindung Hinsichtlich des Kompositpulvers wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das folgende Verfahrensschritte umfasst:
(a) Herstellen einer Schmelze aus einer schmelzbaren Kohlenstoff- Vorläufersubstanz mit in der Schmelze verteilten Nanoteilchen aus einem Aktivmaterial, (b) Zerteilen der Schmelze oder eines durch Erstarren der Schmelze erhaltenen
Schmelzlings zu dem Kompositpulver, in dem Nanoteilchen aus dem Aktivmaterial in eine Matrix aus der Kohlenstoff-Vorläufersubstanz eingebettet sind. - -
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des Kompositpulvers über einen
Schmelzprozess. In der Schmelze ist eine homogene Verteilung der Nanoteilel- chen des Aktivmaterials leichter zu erreichen - optional auch unterstützt durch zusätzliche Homogenisierungsmaßnahmen, wie Rühren oder Läutern - als im festen Aggregatzustand. Zur Herstellung der Schmelze wird eine ohne nennenswerte Zersetzung schmelzbare Kohlenstoff- Vorläufersubstanz eingesetzt.
In der Schmelze sind Nanoteilchen des Aktivmaterials enthalten. Diese haben eine Teilchengröße von weniger als 100 nm, vorzugsweise kleiner als 40 nm. Je kleiner die Teilchen sind, umso einfacher sind mechanische Spannungen infolge einer Volumenänderung durch das Einlegieren (Aufnahme von Lithium) mit dem Aktivmaterial beziehungsweise durch das Auslegieren (Abgabe von Lithium) zu verteilen und zu kompensieren.
Die homogene Schmelze wird abschließend zu Pulver verarbeitet. Dies geschieht im einfachsten und bevorzugten Fall durch den Zwischenschritt des Abkühlens und Erstarrens der Schmelze unter Bildung eines festen Schmelzlings, der anschließend anhand üblicher Methoden mechanisch zerkleinert wird, wie etwa durch Brechen oder Mahlen. Alternativ wird die Schmelze in flüssiger oder zähflüssiger Form in Tropfen zerteilt, wie etwa durch Verdüsen oder Zerstäuben.
Verfahrensergebnis ist in jedem Fall ein Kompositpulver aus Aktivmaterial und der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz. In den Kompositpulver-Teilchen sind Nanoteilchen des Aktivmaterials homogen und in feiner Verteilung in eine Matrix aus der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz eigebettet. Die aus der Schmelze erzeugte Kohlenstoffmatrix hat in der Regel eine geringe Porosität.
Das Kompositpulver dient dazu, das Aktivmaterial in feiner und homogener Vertei- lung und umgeben von einer mehr oder weniger porösen Kohlenstoffmatrix bereitzustellen. Es ist in dieser Form als Halbzeug für die Weiterverarbeitung zu elektrochemischen Bauelementen, insbesondere von Elektroden einer Lithiumionen- Sekundärbatterie einsetzbar. Eine besonders geeignete Art der Weiterverarbeitung des Kompositpulvers wird weiter unten noch näher erläutert. - -
Eine Verbesserung in Bezug auf eine möglichst homogene Verteilung des Aktivmaterials in der Schmelze und damit in der Kohlenstoffmatrix wird dadurch erreicht, dass das Herstellen der Schmelze ein vorheriges Trockenmischen von Pulvern aus der Kohlenstoff-Vorläufersubstanz und dem Aktivmaterial und das an- schließende Erschmelzen der Trockenmischung umfasst.
Das Einbringen von feinteil igem Aktivmaterial in eine kohlenstoffreiche und in der Regel zähflüssige Schmelze kann sich schwierig gestalten. Dieses Problem wird durch ein Trockenvormischen vermieden, bei dem vorab erzeugte Pulver sowohl aus der schmelzbaren Kohlenstoff- Vorläufersubstanz als auch vom Aktivmaterial bereit- gestellt, und diese Pulver im festen Zustand vorgemischt werden. Beim Trockenmischen kann eine weitere Zerkleinerung der jeweiligen Ausgangspulver erfolgen. Die homogene Pulvermischung wird anschließend so weit erhitzt, dass die Partikel der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz schmelzen ohne zu carbonisieren.
Im Hinblick auf eine Weiterverarbeitung des Kompositpulvers als Elektrodenmaterial hat es sich als günstig erweisen, wenn durch das Zerteilen gemäß Verfahrensschritt (b) ein Kompositpulver einer mittleren Teilchengröße von weniger als 100 μιτι, vorzugsweise weniger als 50 μιτι erzeugt wird. Teilchengrößen von weniger als 5 μιτι sind jedoch schwierig herstell- und handhabbar und nicht bevorzugt.
Das Aktivmaterial enthält Si, vorzugsweise besteht es aus Si oder aus einer Legie- rung aus Si und Sn.
Silizium und Zinn sind zur Legierungsbildung mit Lithiumatomen bei Raumtemperatur geeignet und sind insoweit ein geeignete Aktivmaterialien für Lithium- Sekundärbatterien.
Theoretisch nimmt die Ladekapazität der Anode mit dem Gewichtsanteil an Ak- tivmaterial zu. Reine Aktivmaterial-Elektroden zerfallen jedoch wegen der Volumenänderung beim Ein- und Auslegieren von Lithium, wie oben bereits erläutert. Die Kohlenstoffmatrix des Kompositpulvers dient zur Schaffung eines Gerüstes oder einer Umhüllung zur Abpufferung derartiger Volumenänderungen. Im Fall des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich das Erzeugen eines Kompositpul- - - vers bewährt, in dem ein Gewichtsanteil von 10 bis 50 %, vorzugsweise zwischen 20 und 30 % auf das Aktivmaterial entfällt.
Im Hinblick auf einen Einsatz in einer Lithiumionen-Sekundärbatterie ist eine möglichst geringe Adsorption für einen Elektrolyten, für Lithium oder für ein Aktivmaterial erwünscht. Daher sollte die Kohlenstoffmatrix auch nach einem Carbonisierungspro- zess eine möglichst geringe Mikroporosität aufweisen. Mikroporen sind durch einen Porendurchmesser von 2 nm und weniger charakterisiert. Als Kohlenstoff- Vorläufersubstanz wird aus diesem Grund vorzugsweise Pech eingesetzt.
Pech, insbesondere„Mesophasenpech", ist ein ohne Zersetzung schmelzbares kohlenstoffhaltiges Material, das durch Carbonisieren relativ einfach in eine graphitähnliche Struktur mit geringer Mikroporosität überführt werden kann. Diese ist beispielsweise dadurch charakterisiert, dass Mikroporen mit einem Porendurchmesser von weniger als 2 nm weniger als 10% ihres gesamten Porenvolumens ausmachen Hinsichtlich der Herstellung des porösen Verbundwerkstoffs für elektrochemische Elektroden wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das unter Einsatz des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Kompositpulvers folgende Verfahrensschritte umfasst:
(I) Bereitstellen von Templat-Partikeln aus anorganischem Templatmaterial, die jeweils ein Poren enthaltendes Templat-Gerüst miteinander verbundener Nano- teilchen bilden,
(II) Erzeugen einer Pulvermischung aus dem Kompositpulver und den Templat- Partikeln,
(III) Erhitzen der Pulvermischung und Erweichen des Kompositpulvers derart, dass dieses in die Poren des Templat-Gerüsts eindringt und carbonisiert wird,
(IV) Entfernen des Templat-Gerüsts unter Bildung des porösen elektrochemischen Verbundwerkstoffs. - -
Die porösen Templat-Partikel gemäß Verfahrensschritt (I) werden beispielsweise hergestellt durch Aufmahlen poröser Körper aus dem Templatmaterial, durch Brechen von Schichten aus dem Templatmaterial, durch Pressen eines feinteiligen Pulvers aus dem Templatmaterial, durch Sol-Gel-Verfahren oder mittels Granula- tionsverfahren. Je feinteiliger die Templat-Partikel sind, umso schneller, effektiver und gleichmäßiger erfolgt die Infiltration bei ansonsten gleichen Prozessbedingungen. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine schmale, im Idealfall monodisperse Partikelgrößenverteilung vorteilhaft, die beispielsweise durch Sieben erzielt wird. Besonders geeignet für die Herstellung von Templatmaterial und Templat-
Partikeln ist das Verfahren gemäß der eingangs genannten DE 10 2010 005 954 A1 . Herbei werden die Templat-Partikel auf Basis eines Soot- Abscheideprozesses erzeugt. Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung von Templat-Partikeln aus anorganischem Templatmaterial, die jeweils ein Poren ent- haltendes Templat-Gerüst miteinander verbundener Nanoteilchen bilden, wird diese Druckschrift hiermit ausdrücklich in die vorliegende Anmeldung einbezogen.
Erfindungsgemäß werden sowohl für das Templat-Material als auch für das Kompositmaterial aus Kohlenstoff und Aktivmaterial vorgefertigte Pulver bereitgestellt, die im festen Zustand homogen miteinander vermischt werden. Die homogenisierte Pulvermischung wird danach so weit erhitzt, dass der Kohlen- stoff-Precursor des Kompositpulvers in Kontakt mit den Templat-Partikeln aufschmilzt und die Schmelze stark benetzend in die Poren des Templat-Pulvers eindringen kann. Dadurch gelangen auch in der Schmelze verteilte Nanopartikel aus Aktivmaterial in diese Poren. Die homogene Pulvermischung gewährleistet, dass stets schmelzflüssiger Kohlenstoff- Precursor im innigen Kontakt mit den
Templat-Partikeln steht, so dass sich eine Verteilung und Belegung über das bereitstehende, zu infiltrierende Porenvolumen des Templatmaterials ergibt.
Das Carbonisieren des Kohlenstoff- Precursors aus dem ursprünglichen Kompositpulver erfolgt gleichzeitig oder anschließend zum Infiltrieren der Poren der Temp- lat-Partikel. Für das Carbonisieren sind grundsätzlich Temperaturen bis zu - -
3000 °C geeignet, vorzugsweise erfolgt das Carbonisieren jedoch bei einer Temperatur deutlich unterhalb von 1000 °C und unter einem möglichst sauerstofffreien Gas oder unter Vakuum. Die Mindesttemperatur für das Carbonisieren bestimmt sich aufgrund der Zersetzungstemperatur des Kohlenstoff-Precursors und liegt beispielsweise um 500 °C.
Bei einer geringen Viskosität der Kompositpulver-Schmelze kann bei nur einmaliger Infiltration bereits ein ausreichend hoher Füllgrad des Porenvolumens erreicht sein.
Aufgrund der Zersetzungs- und Abdampfungsprozesse beim Carbonisieren ergibt sich eine Schrumpfung des abgelagerten Kompositmaterials, wobei der Schrumpfungsgrad vom Kohlenstoffgehalt des ursprünglichen Kompositpulvers abhängt. Nach dem Carbonisieren wird eine Masse erhalten, in der carbonisiertes, poröses Kompositmaterial und Templatmaterial innig miteinander vermischt sind.
Das Templatmaterial wird aus dieser Masse entfernt, so dass ein mit Aktivmaterial durchsetztes Kohlenstoffgerüst aus dem carbonisierten, porösen Kompositmaterial zurückbleibt, der hier als„Verbundwerkstoff" aus Aktivmaterial und Kohlenstoff bezeichnet wird.
Das Entfernen des anorganischen Templatmaterials erfolgt vorzugsweise durch chemische Auflösung, wobei im Fall eines SiO2-Templats als Lösungsmittel ins- besondere Säuren (wie Flusssäure) oder Basen (wie Natriumhydroxyd) zu nennen sind.
Der Verbundwerkstoff ist im Wesentlichen frei von Templatmaterial. Das anorganische Templatmaterial dient somit lediglich als mechanisch und thermisch stabiles Gerüst zum Ablagern und Carbonisieren des mit Aktivmaterial gefüllten Koh- lenstoffs.
Das Verfahrensprodukt ist ein Verbundwerkstoff aus mehr oder weniger porösem Kohlenstoff und darin in homogener Verteilung eingebettetem Aktivmaterial. Besonderheiten dieses Verbundwerkstoffs, die ihn geeignet zur Herstellung von - - elektrochemischen Bauelementen - insbesondere der Anode - für Lithium- Sekundärbatterien machen, sind:
1 . Die Einbettung und Fixierung von Aktivmaterial in eine Matrix aus porösem Kohlenstoff, die sich durch das Carbonisieren des ursprünglichen Kohlenstoff- Precursors ergibt, und
2. die Zugänglichkeit dieses Aktivmaterials über das Kanalsystem mit hierarchischer Porenstruktur, die durch das ursprüngliche Templatmaterial vorgegeben wird.
Durch die örtliche Fixierung des Aktivmaterials wird ein Verlust an Aktivmaterial und damit legiertem Lithium und damit ein allmählicher Ladungsverlust vermieden. Der Verbund mit der elektrisch leitenden Kohlenstoffmatrix gewährleistet eine dauerhafte elektrische Kontaktierung des Aktivmaterials bei gleichzeitig guter Zugänglichkeit für einen Elektrolyten.
Die multimodale Porenstruktur stellt einerseits Transportkanäle bereit, über die das Aktivmaterial für Elektrolyt und Lithiumionen zugänglich ist, und andererseits ein freies Porenvolumen, das Volumenänderungen infolge des Ein-und Auslegierens von Lithium und Aktivmaterial abpuffern kann, so dass mechanische Spannungen vermindert und ein Zerfallen der Elekrodenstruktur verhindert oder verzögert werden kann. Diese Wirkung wird im Folgenden anhand eines besonders bevorzugten Temp- latmaterials noch näher erläutert. Dabei umfasst das Bereitstellen der Templat- Partikel einen Soot-Abscheideprozess, bei dem ein Einsatzmaterial durch Hydrolyse oder Pyrolyse zu Templatmaterial-Teilchen umgesetzt und diese auf einer Ablagerungsfläche unter Bildung eines Sootkörpers aus dem Templatmaterial abgeschieden werden, und dass der Sootkörper zu den Templat-Partikeln zerkleinert wird.
Bei dieser Variante der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff-Herstellung umfasst die Herstellung des Templats eine Gasphasenabscheidung von agglomerierten Rußteilchen, die als poröser„Soot" anfallen. Dabei wird eine flüssige oder - - gasförmige Ausgangssubstanz einer chemischen Reaktion (Hydrolyse oder Pyrolyse) unterzogen und aus der Gasphase als Feststoffkomponente auf einer Ablagerungsfläche abgeschieden. Die Reaktionszone ist beispielsweise eine Brennerflamme oder ein Lichtbogen (Plasma). Mittels derartiger Plasma- oder CVD- Abscheideverfahren, die beispielsweise unter den Bezeichnungen OVD-, VAD-, MCVD-, PCVD- oder FCVD-Verfahren bekannt sind, werden im industriellen Maßstab synthetisches Quarzglas, Zinnoxid, Titannitrid und andere synthetische Werkstoffe hergestellt.
Dabei ist es für die Eignung des abgeschiedenen Templatmaterials zur Herstel- lung eines Templats wesentlich, dass das Templatmaterial auf der Ablagerungsfläche, bei der es sich beispielsweise um ein Gefäß, einen Dorn, eine Platte oder einen Filter handeln kann, als poröser Soot anfällt. Dies wird gewährleistet, indem die Temperatur der Ablagerungsfläche so niedrig gehalten wird, dass ein Dichtsintern des abgeschiedenen Templatmaterials verhindert wird. Als Zwischenpro- dukt wird ein so thermisch verfestigter aber poröser„Sootkörper" erhalten.
Beim Soot-Abscheideprozess kann das Templatmaterial auch in Form von Soot- pulver anfallen, das anschließend anhand von Granulations-, Press-, Schlickeroder Sinterverfahren zu den Templat-Partikeln weiterverarbeitet wird. Als Zwischenprodukte sind Granulate oder Schülpen zu nennen. In jedem Fall ist das Templat eine Sootstruktur mit netzartig miteinander verbundenen Nanopartikeln. Hierbei kann das Wegätzen des Templatmaterials durch Vordringen des Ätzmittels innerhalb der Sootstruktur selbst geschehen.
Vorzugsweise ist das Templatmaterial SiO2.
Synthetisches SiO2 ist mittels Sootabscheideverfahren unter Einsatz preiswerter Ausgangssubstanzen im industriellen Maßstab relativ kostengünstig herstellbar.
Das SiO2-Templat hält hohen Temperaturen beim Carbonisieren stand. Die Tem- peraturobergrenze wird durch das Einsetzen der Reaktion von SiO2 mit Kohlenstoff zu SiC (bei etwa 1000 °C) vorgegeben. Das Entfernen des Templatmaterials in Form von synthetischem SiO2 gemäß Verfahrensschritt (e) erfolgt durch chemi- sehe Auflösung in einer Säure oder einer Lauge. - -
Bei dem mittels Sootabscheideverfahren erhaltenen Sootkörper erweist es sich als besonders günstig, dass dieser herstellungsbedingt eine anisotrope Masseverteilung mit hierarchischer Porenstruktur aufweist. Denn bei der Gasphasenab- scheidung entstehen in der Reaktionszone Primärpartikel, die sich auf ihrem Weg zur Ablagerungsfläche zu Nanoteilchen zusammenlagern. Je nach Grad der Wechselwirkung mit der Reaktionszone auf ihrem Weg zur Ablagerungsfläche lagert sich eine unterschiedliche Anzahl von Primärpartikeln zusammen, so dass grundsätzlich eine breite Teilchengrößenverteilung der Nanoteilchen im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 200 nm ergibt. Die Nanoteilchen sind über sogenannte Sinterhälse miteinander verbunden. Zwischen den einzelnen Nanoteilchen ergeben sich größere Hohlräume oder Poren, die im Sootkörper und in Teilstücken desselben ein System miteinander verbundener Makroporen bilden. Eine gewisse thermische Verfestigung des Sootkörpers ist erwünscht und wird erreicht, indem der Sootkörper entweder beim Abscheideprozess oder alternativ dazu oder er- gänzend dazu in einem an den Abscheideprozess anschließenden separaten Heizprozess teilweise gesintert wird, so dass ein poröses, zusammenhängendes Templat-Gerüst gebildet wird, in dem sphärische Nanoteilchen zu größeren Einheiten aggregiert oder agglomeriert und über sogenannte„Sinterhälse" miteinander verbunden sind. Die durch Sootabscheidung erzeugte Schicht des Templatmaterials kann mit geringem Aufwand zerkleinert werden, wobei Templat-Partikel mit plättchenartiger oder flockenartigen Morphologie erhalten werden. Diese zeigen herstellungsbedingt die oben beschriebene oligomodale Porengrößenverteilung mit hierarchischer Porenstruktur. Derartige Templat-Partikel, die sich durch eine nicht sphärische Morphologie auszeichnen, sind für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft. Denn Partikel mit sphärischer Morphologie, also Partikel mit einer Kugelform oder annähernd kugelförmiger Morphologie, zeigen eine geringe Oberfläche in Bezug auf ihr Volumen. Demgegenüber zeigen Partikel mit nicht sphärischer Morphologie ein größeres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was die Infiltration mit dem schmelzflüssigen Kompositmaterial vereinfacht und vergleichmäßigt. - -
Je geringer die Dicke der Templat-Partikel ist, umso einfacher und homogener erfolgt die Infiltration mit dem schmelzflüssigen Kompositmaterial. Im Hinblick hierauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Templat-Partikel eine mittlere Dicke im Bereich von 10 μιτι bis 500 μιτι, vorzugsweise im Bereich von 20 μιτι bis 5 100 μιτι, besonders bevorzugt weniger als 50 μιτι aufweisen.
Templat-Partikel mit einer Dicke von weniger als 10 μιτι haben eine geringe mechanische Festigkeit und erschweren die Ausbildung einer ausgeprägten Hierarchischen Porenstruktur. Bei Dicken von mehr als 500 μιτι wird es zunehmend schwierig, eine homogene Infiltration des schmelzflüssigen Kompositmaterials zu0 gewährleisten.
Durch das Mischungsverhältnis von Kompositmaterial und Templatmaterial wird der Befüllungsgrad der Poren eingestellt. Vorzugsweise werden Kompositpulver und Templat-Partikel in einem Volumenverhältnis im Bereich zwischen 0,05 und 1 ,6, vorzugsweise in einem Volumenverhältnis im Bereich zwischen 0,1 und 0,85 miteinander gemischt.
Bei einem Mischungsverhältnis von 0,05 sind die inneren Oberflächen des Templatmatenals mit nur einer Schicht geringer Dicke belegt, so dass sich lediglich ein schwammartiges Gespinst aus Kohlenstoff+Aktivmaterial ergibt. Noch kleinere Mischungsverhältnisse sind daher nicht bevorzugt. Beim Mischungsverhältnis von 0 1 ,6 ergibt sich hingegen eine im Wesentlichen gefüllte Porenstruktur, abhängig vom ursprünglichen Porenvolumen des Templatmaterials. Bei einem Mischungsverhältnis oberhalb von 1 ,6 verbleibt ein geringer Porenraum.
In dem nach Entfernen des Templatmaterials vorliegenden Verbundwerkstoff sind Nanoteilchen aus dem Aktivmaterial in eine poröse Kohlenstoff-Matrix eingebettet 5 und über ein Kanalsystem offener Poren für einen Elektrolyten zugänglich. Das
Volumen, das vor dem Entfernen des Templatmaterials von sphärischen Nanoteilchen und deren Aggregaten/Agglomeraten belegt war, stellt nun Kavitäten dar, die über ehemalige, nun geöffnete Sinterhälse dreidimensional miteinander vernetzt sind. Das Aktivmaterial ist somit in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet und 0 gleichzeitig über offene, über die ehemaligen Sinterhälse des Templatmaterials - - miteinander verbundene örtlich begrenzte Kavitäten, die ehemals von den Nano- teilchen besetzt waren für einen Elektrolyten erreichbar. Die mittleren Größen der von Kavitäten liegen im Bereich von Mesoporen, die typischerweise eine Porengröße im Bereich von 2 bis 50 nm haben, und darüber. Das in den Kavitäten zur Verfügung stehende Porenvolumen trägt dazu bei, mechanische Spannungen abzubauen, die sich durch die zusätzliche Aufnahme von Lithium in die Kohlenstoffmatrix oder dessen Abgabe einstellen würden, und die zu einer Zerstörung der räumlichen Struktur der porösen Kohlenstoffmatrix führen können., Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein kostengünstiger Verbundwerkstoff aus porösem Kohlenstoff und relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit in direkter Verbindung mit einem Aktivmaterial für elektrochemische Energiespeiche- rung erhalten. Die in dem Verbundwerkstoff enthaltenen Aktivmaterial-Partikel mit Größen im Nanometerbereich sind geeignet weitere Substanzen - insbesondere Lithium - einzubinden, so dass das Kompositerzeugnis insbesondere für einen Einsatz als Elektrodenmaterial geeignet ist.
Hinsichtlich der Verwendung des erfindungsgemäßen Kompositpulver oder des erfindungsgemäßen porösen Verbundwerkstoffs wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß somit dadurch gelöst, dass diese Komponenten zur Her- Stellung einer Anode für eine wiederaufladbare Lithium-Batterie eingesetzt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Verbundwerkstoffs für elektrochemische Anwendungen unter Einsatz des erfindungsgemäß erzeugten Kompositpulvers ist oben erläutert. Das Kompositpulver zeichnet sich durch eine homogene Einbettung von Aktivmaterial in einer Matrix aus einem Kohlenstoff-Precursor aus und ist geeignet, auch auf andere Art und Weise zu elektrochemischen Komponenten weiterverarbeitet zu werden.
Der Verbundwerkstoff fällt beim erfindungsgemäßen Verfahren als Monolith oder mit plättchen- oder flockenartiger Morphologie an, die leicht zu kleineren Partikeln - - zerteilt werden kann. Diese werden mittels üblicher Pasten- oder Schlickerverfahren zu Formkörpern oder Schichten zu einer Elektrode beispielsweise für eine Lithium-Batterie anhand der aus dem Stand der Technik bekannten Methoden weiterverarbeitet. Da zur Herstellung des Verbundwerkstoffs ein poröses Templat mit Sootstruktur eingesetzt wird, werden die inneren Oberflächen der Poren und Hohlräume mit dem Kompositmaterial aus Kohlenstoff-Precursor und Aktivmaterial belegt, so dass die im Templat vorgegebene Porenstruktur und Teilchenverteilung mehr oder weniger auf diese Beschichtung überführt wird. Die in die Kohlenstoffmatrix eingebetteten Nanoteilchen aus Aktivmaterial sind im Verbundwerkstoff über ein dreidimensionales Kohlenstoff-Netzwerk zuverlässig elektrisch kontaktiert.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung Figur 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von SiO2-Granulatteilchen, die als
Templat-Partikel beim erfindungsgemäßen Verfahren dienen, und
Figuren 2 bis 5 Verfahrensschritte bei der Herstellung des erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffes in schematischer Darstellung.
1 . Herstellung von Kompositpulver aus Kohlenstoff und Silizium - 1 . Komponente Monodisperse, weitgehend sphärische Si-Nanoteilchen mit einer Partikelgröße um 30 nm sind im Handel erhältlich. Die Si-Nanoteilchen werden mit fein gemahlenem Pulver aus Mesophasenpech im Gewichtsverhältnis 3:1 (Pech : Si- Nanoteilchen) homogen miteinander vermischt. Die homogenisierte Pulvermischung wird auf eine Temperatur von 300°C erhitzt, so dass das Pech zu einer niedrig viskosen Schmelze aufschmilzt. Infolge der vorab erzeugten Pulver- Homogenisierung sind die Si-Nanoteilchen in der Pechschmelze weitgehend homogen verteilt. Wegen ihrer geringen Größe und der zur Pechschmelze ähnlichen - -
Dichte kommt es auch nicht zu einem Absetzen oder Aufschwimmen der Si- Nanoteilchen. Auf ein Rühren der Schmelze kann daher verzichtet werden.
Nach einer Schmelzdauer von 2h kühlt die Pechschmelze zu einem Schmelzling ab, in dem Si-Nanoteilchen nun weitgehend homogen und feinverteilt vorliegen. Der Schmelzling wird mittels einer Kugelmühle zu einem Kompositpulver zermah- len. Das Kompositpulver besteht aus einer weitgehend dichten Pech-Matrix, in der Si-Nanoteilchen eingebettet sind.
Teilchengrößen zwischen 10 und 30 μιτι werden für die Weiterverarbeitung ausgesiebt. Sie dienen als erste Komponente für die Herstellung eines Verbundwerk- Stoffs.
2. Herstellung von Templatpartikeln - 2. Komponente
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung dient zur Herstellung poröser Granulatteilchen aus SiO2, die beim erfindungsgemäßen Verfahren als Harttemplat-Partikel 13 eingesetzt werden. Die Vorrichtung umfasst eine um ihre Rotationsachse 2 rotierbare Trommel 1 , die aus einem Grundkörper aus Edelstahl besteht, der mit einer dünnen Schicht aus Siliciumcarbid belegt ist. Die Trommel 1 hat einen Außendurchmesser von 30 cm und eine Breite von 50 cm. Auf der Mantelfläche 1 a der Trommel 1 wird eine Schicht 5 aus SiO2-Soot abgeschieden und unmittelbar zu einer porösen SiO2-Sootplatte 5a leicht thermisch verdichtet. Für die Sootabscheidung werden Flammhydrolysebrenner 4 eingesetzt, von denen vier in einer gemeinsamen Brennerreihe 3 in Richtung der Trommel- Längsachse 2 hintereinander angeordnet sind. Die Brennerreihe 3 wird parallel zur Rotationsachse 2 zwischen zwei ortsfesten Wendepunkten hin- und her bewegt. Den Flammhydrolysebrennern 4 werden als Brenngase Sauerstoff und Wasserstoff sowie Octamethylcyclotetrasiloxan (OMCTS) als Einsatzmaterial für die Bildung von SiO2-Partikeln zugeführt. Die Größe der dabei erzeugten SiO2- Primärpartikel liegt im Nanometerbereich, wobei sich mehrere Primärpartikel in der Brennerflamme 6 zusammenlagern und in Form mehr oder weniger sphärischer Aggregate mit einer spezifischen Oberfläche nach BET im Bereich von - -
25 m2/g anfallen, die auf der Trommel-Mantelfläche 1 a eine durchgängige, gleichmäßig dicke SiO2-Sootschicht 5 bilden.
Im Ausführungsbeispiel werden die Rotationsgeschwindigkeit der Trommel 1 und die Abscheiderate der Flammhydrolysebrenner 4 so abgestimmt, dass sich eine SiO2-Sootschicht 5 mit einer Breite von etwa 40 cm und einer Dicke von etwa 45 μιτι ergibt (die Sootschicht ist in Figur 1 aus Darstellungsgründen übertrieben dick eingezeichnet). Die Brenner 4 bewirken gleichzeitig ein gewisses Vorsintern der Sootschicht 5 zu einer Sootplatte 5a, indem sie auf der Oberfläche der obersten Sootlage eine mittlere Temperatur von etwa 1200°C erzeugt. Unterstützt wird das Vorsintern von einem rohrformigen Infrarotstrahler 14, der innerhalb der als Hohltrommel ausgebildeten Trommel 1 im linken unteren Quadranten angeordnet ist, und der die Mantelfläche der Trommel 1 kurz nach dem Aufbringen der Sootschicht 5 von der Innenseite aus erhitzt.
Die so erhaltene poröse, leicht vorgesinterte Sootplatte 5a hat eine mittlere relati- ve Dichte von etwa 22 % (bezogen auf die Dichte von Quarzglas mit 2,21 g/m3).
Nach etwas mehr als einer halben Trommel-Umdrehung gelangt die Sootplatte 5a in den Einwirkungsbereich eines Gebläses 7, mittels dem ein gegen die Unterseite der Sootplatte 5a gerichteter Gasstrom erzeugt wird, so dass sich die Sootplatte 5a von der Trommel-Mantelfläche 1 a abhebt. Die Sootplatte 5a wird anschließend über eine Stützrolle 8 einem Brechwerkzeug 9 zugeführt, das aus zwei gegensinnig rotierenden Rollen 10a, 10b besteht, zwischen denen ein Spalt mit der Dicke der Sootplatte 5a vorgesehen ist , und deren Oberflächen mit Längsprofilen versehen sind.
Die durch den Spalt hindurchlaufende Sootplatte 5a wird durch die Längsprofile der Rollen 10a, 10b in ungefähr gleich große Bruchstücke (Granulatteilchen =Templat-Partikel 13) zerteilt, die in einem Auffangbehälter 1 1 gesammelt werden.
Zwischen der Trommel 1 und dem Brechwerkzeug 9 ist eine Trennwand 12 vorgesehen, die mit einer Öffnung zur Durchführung der Sootplatte 5a versehen ist - - und die zur Abschirmung des Sootabscheideprozesses von den Auswirkungen des Zerkleinerungsprozesses dient.
Die nach dem Verfahren erhaltenen Templat-Partikel 13 haben eine plättchenarti- ge oder flockenartige Morphologie und eine Dicke, die in etwa der Dicke der Sootplatte 5a entspricht, also etwa 45 μιτι. Sie zeigen mehr oder weniger plane Oberseite- und Unterseiten sowie seitliche Bruchflächen mit offenen Poren.
Die Partikelfgrößenfraktion mit Seitenlängen zwischen 500 und 1 .000 μιτι wurde durch Sieben zwecks Weiterverarbeitung abgetrennt. Das Strukturverhältnis„A", also das Verhältnis von größter Strukturbreite (a oder b) und Dicke (c) der Temp- lat-Partikel 13 liegt im Ausführungsbeispiel bei etwa 20.
Die so erzeugten SiO2-Templat-Partikel 13 dienen neben dem oben beschriebenen Kompositpulver als weitere Komponente für die Herstellung eines Verbundwerkstoffs. Dessen Herstellung wird im Folgenden an einem Beispiel und anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert. 3. Herstellung eines Verbundwerkstoffes aus 1 . Komponente und 2. Komponente
Die nicht sphärischen, plättchenförmigen Templat-Partikel 13 setzen sich mikroskopisch betrachtet aus einer Vielzahl sphärischer Aggregate aus SiO2- Primärpartikeln zusammen, die miteinander verbunden sind und so ein„Soot- Gerüst" bilden. Ein einziges derartiges Primärpartikel-Aggregat 16 ist in Figur 2 schematisch dargestellt, die also einen Ausschnitt aus einem„Soot-Gerüst" zeigt.
Das Kompositpulver (als 1 . Komponente) und die SiO2-Primärpartikel-Aggregate 16 (als 2. Komponente) werden in einem Volumenverhältnis von 1 :1 (Kompositpulver : Primärpartikel-Aggregat) mittels Mischer homogen miteinander vermischt. Die Mischdauer beträgt etwa 5 min. Die Partikelmischung wird anschließend auf eine Temperatur von 300°C erhitzt. Das niedrig viskose und mit Si-Nanoteilchen 14 durchsetzte Pech umhüllt dabei die kleinen SiO2-Primärpartikel-Aggregate 16 und dringt in die Poren ein und infiltriert diese. Das Volumenverhältnis von Kompositpulver- und Primärpartikel- - -
Aggregat ist dabei so gewählt, dass das Pech die Poren soweit füllt, dass nach einer Infiltrationsdauer von 30 min kaum noch ein nennenswertes freies Porenvolumen übrig bleibt.
Figur 3 zeigt schematisch den so erhaltenen Verbund aus Primärpartikel- Aggregat 16, umhüllt von einer mit Si-Nanoteilchen 14 durchsetzten Pechschicht 15.
Nach der Infiltrationsdauer von 30 min wird die Temperatur auf 700 °C unter Stickstoff erhöht und das Pech der Kompositschicht zu Kohlenstoff reduziert (car- bonisiert). Die ursprüngliche Pechschicht bildet danach eine grafitähnliche Koh- lenstoffschicht 19 geringerer Dicke. Infolge der Schrumpfung werden die eingebetteten Si-Nanopartikel 14 teilweise freigelegt oder sie gelangen näher an die Oberfläche der Primärpartikel-Aggregat 16 beziehungsweise näher an die freie Oberfläche, wie Figur 4 schematisch zeigt.
Die Kohlenstoffschicht 19 hat eine geringe Porosität und sie ist im Mittel etwa 50 nm dick. In dem Zusammenhang ist anzumerken ist, dass die Darstellung der Figuren 2 bis 5 nicht maßstabsgetreu ist.
Nach dem Abkühlen wird eine leicht poröse Kompositmasse aus nicht sphärischen porösen SiO2-Templat- -Partikeln 13, erhalten, die überall mit einer Lage aus graphitisierbarem Kohlenstoff und Aktivmaterial belegt sind. Das SiO2 der Templat-Partikel 13 wird anschließend entfernt, indem die Kompositmasse in ein Bad aus 2-molarer NaOH-Lösung eingebracht wird. Da die Templat-Partikel aus netzartig miteinander verbundenen Nanopartikeln bestehen, kann die NaOH-Lösung innerhalb der Netzstruktur vordringen bis das gesamte Templ- atmaterial entfernt ist. Figur 5 zeigt schematisch den nach dem Wegätzen des SiO2-Primärpartikel- Aggregats erhaltenen Verbundwerkstoff mit der Kompositstruktur 18. Diese besteht aus einer grafitähnlichen Kohlenstoffschicht 19, in die Nanopartikel 14 aus Silizium eingebettet sind. Die Kohlenstoffschicht 19 bildet die Innenwandung einer Kavität 17, die ursprünglichen von einem SiO2-Nanoteilchenagglomerat - also - - von einem Primärpartikel-Aggregat 16 - besetzt war. Die Si-Nanopartikel 14 sind mindestens teilweise frei zugänglich.
Die Kompositstruktur 18 erstreckt sich in allen Raumrichtungen und stellt näherungsweise ein negatives Abbild der Massenverteilung der ursprünglichen SiO2- Primärpartikel-Aggregat 16 dar. Sie weist eine hierarchische Porenstruktur auf und bildet den mit Aktivmaterial 14 beladenen Verbundwerkstoff im Sinne der Erfindung.
Wichtig ist, dass die Kavität 17 nicht abgeschlossen, sondern mit anderen Meso- und Makroporen fluidisch verbunden ist. Sie stellt ein freies Porenvolumen sowie weitere Oberfläche zur Verfügung, über die das in der Kohlenstoffmatrix fixierte Si-Aktivmaterial einem Elektrolyten und Lithium zwecks Legierungsbildung zugänglich ist..
Die so erhaltene Kompositstruktur 18 wird bei Bedarf weiter zerkleinert. Es werden mit Aktivmaterial beladene Kohlenstoffflocken erhalten, bei denen eine fein- gliedrig zerklüftete Oberfläche von größeren Hohlräumen kanalartig durchzogen ist. Diese Kohlenstoffflocken mit hierarchischer Porenstruktur eignen sich besonders gut für die Herstellung von Elektrodenschichten einer aufladbaren Batterie.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren für die Herstellung von Kompositpulver aus einer Kohlenstoff- Vorläufersubstanz und Aktivmaterial als Halbzeug für einen porösen elektrochemischen Verbundwerkstoff elektrochemischer Elektroden, umfassend folgende Verfahrensschritte:
(a) Herstellen einer Schmelze aus einer schmelzbaren Kohlenstoff- Vorläufersubstanz mit in der Schmelze verteilten Nanoteilchen aus einem Aktivmaterial,
(b) Zerteilen der Schmelze oder eines durch Erstarren der Schmelze erhaltenen Schmelzlings zu dem Kompositpulver, in dem Nanoteilchen aus dem Aktivmaterial in eine Matrix aus der Kohlenstoff-Vorläufersubstanz eingebettet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen der Schmelze ein vorheriges Trockenmischen von Pulvern aus der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz und dem Aktivmaterial und das anschließende Erschmelzen der Trockenmischung umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerteilen gemäß Verfahrensschritt (b) durch mechanisches Zermahlen eines Schmelzlings erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zerteilen gemäß Verfahrensschritt (b) ein Kompositpulver einer mittleren Teilchengröße von weniger als 100 μιτι, vorzugsweise weniger als 50 μιτι erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Aktivmaterial eingesetzt wird, das Si enthält, vorzugsweise aus Si oder aus einer Legierung aus Si und Sn besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompositpulver erzeugt wird, in dem auf das Aktivmaterial ein Gewichtsanteil von 10 bis 50 %, vorzugsweise zwischen 20 und 30 % entfällt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pech als Kohlenstoff-Vorläufersubstanz eingesetzt wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines porösen Verbundwerkstoffs für elektrochemische Elektroden unter Einsatz eines Kompositpulvers erhalten nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgende Verfahrensschritte: (I) Bereitstellen von Templat-Partikeln aus anorganischem Templatmaterial, die jeweils ein Poren enthaltendes Templat-Gerüst miteinander verbundener Nanoteilchen bilden,
(II) Erzeugen einer Pulvermischung aus dem Kompositpulver und den
Templat-Partikeln, (III) Erhitzen der Pulvermischung und Erweichen des Kompositpulvers derart, dass dieses in die Poren des Templat-Gerüsts eindringt und carbo- nisiert wird,
(IV) Entfernen des Templat-Gerüsts unter Bildung des porösen elektrochemischen Verbundwerkstoffs.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen der Templat-Partikel einen Soot-Abscheideprozess umfasst, bei dem ein Einsatzmaterial durch Hydrolyse oder Pyrolyse zu Templatmaterial-Teilchen umgesetzt und diese auf einer Ablagerungsfläche unter Bildung eines Sootkör- pers aus dem Templatmaterial abgeschieden werden, und dass der Sootkör- per zu den Templat-Partikeln zerkleinert wird.
10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Templatmaterial SiO2 eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Templat- Partikel eingesetzt werden, die eine mittlere Dicke im Bereich von
10 μιτι bis 500 μιτι, vorzugsweise im Bereich von 20 μιτι bis 100 μιτι, besonders bevorzugt weniger als 50 μιτι aufweisen.
12 Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Kompositpulver und Templat-Partikel in einem Volumenverhältnis im Bereich zwischen 0,05 und 1 ,6, vorzugsweise in einem Volumenverhältnis im Bereich zwischen 0,1 und 0,8 miteinander gemischt werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbundwerkstoff erzeugt wird, in dem Nanoteilchen aus dem Aktivmaterial in eine poröse Kohlenstoff-Matrix eingebettet und über ein Kanalsystem offener Poren für einen Elektrolyten zugänglich sind.
H. Verwendung des nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erhaltenen Kompositpulvers oder des nach dem Verfahren nach einem der An- Sprüche 8 bis 13 erhaltenen porösen Verbundwerkstoffs zur Herstellung einer Anode für eine wiederaufladbare Lithium-Batterie.
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