DE212020000079U9

DE212020000079U9 - Siliciumcarbid-Verstärkte Silicium-Materialien für Sekundärbatterien

Info

Publication number: DE212020000079U9
Application number: DE212020000079.4U
Authority: DE
Original assignee: Nanostar Inc
Current assignee: Advano Inc
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-03-25
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: US10622632B1; DE202020105138U1; WO2020232129A1; DE212020000079U1

Abstract

Anode, umfassend:eine Mehrzahl von Partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm, und umfassend eine mit Siliciumcarbid verstärkte reduzierte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Lithium-Ionen-Batterien, die Silicium-Nanokristalle in Sekundärstrukturen enthalten, welche die Ausdehnung von Silicium ohne physische Verschiebung der Anode unterstützen.
STAND DER TECHNIK
Lithium-Ionen (Li⁺)-Sekundärbatterien oder wiederaufladbare Batterien sind heute die am weitesten verbreiteten Sekundärbatteriesysteme für tragbare elektronische Geräte. Das Wachstum der Leistungs- und Energiedichten in der Lithium-Ionen-Batterietechnologie stagnierte jedoch in den letzten Jahren, da Materialien, die sowohl hohe Kapazitäten als auch sichere und stabile Zyklen aufweisen, nur langsam entwickelt wurden. Ein Großteil der derzeitigen Forschungsbemühungen für die nächste Generation von Materialien mit höherer Energiekapazität dreht sich um die Verwendung von kleinem oder nanopartikulärem aktivem Material, das mit leitenden Stoffen und kohlenstoffhaltigen Bindemitteln zusammengebunden ist.
Es besteht ein aktueller und wachsender Bedarf an Batteriesystemen mit höherer Leistungs- und Energiedichte. Die Leistungsanforderungen für kleine Geräte wie mikroelektromechanische Systeme (MEMS), klein dimensionierte Sensorsysteme und integrierte On-Chip-Mikroelektronik übersteigen die Leistungsdichten heutiger Energiespeichersysteme auf Li⁺-Basis. Für eine effektive Funktion solcher Systeme sind Leistungsdichten von mindestens 1 J/mm² erwünscht, wobei gegenwärtig die Energiedichten von Li⁺-Dünnschicht-Batteriesystemen bei etwa 0,02 J/mm² liegen. Dreidimensionale Architekturen des Batterieaufbaus können die Flächenleistungsdichte von Li⁺-Sekundärbatterien verbessern, indem sie mehr aktives Material pro Flächeneinheit verpacken, ohne dickere Filme zu verwenden, die einer übermäßigen Ermüdung durch Zyklen unterliegen. Dreidimensionale Architekturen von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen auch die Lithium-Ionen-Diffusion, indem sie das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen maximieren und die Diffusionslängen verringern.
Der derzeitige Stand der Technik bei Anodenelektroden in Lithium-Ionen-Batterien umfasst die Verwendung von Kohlenstoffmaterialien mit großer Oberfläche. Die Kapazität von graphitischem Kohlenstoff, Ruß oder anderen kohlenstoffhaltigen Materialien ist jedoch auf ein theoretisches Maximum von 372 mAh/g und in der Praxis auf etwa 300 mAh/g begrenzt, da Kohlenstoffelektroden in der Regel aus Kohlenstoffpartikeln bestehen, die mit einem polymeren Bindemittel gemischt und zu einer Massenelektrode zusammengepresst werden. Um Ladung zu speichern, interkaliert Li⁺ zwischen den Ebenen der sp²-Kohlenstoffatome und dieser C-Li⁺-C-Anteil wird reduziert. Darüber hinaus kann maximal ein Li⁺ pro sechs Kohlenstoffatome (LiC₆) gespeichert werden. Während die Kapazität des graphitischen Kohlenstoffs nicht sehr hoch ist, hält der Interkalationsprozess die Kristallstruktur des graphitischen Kohlenstoffs aufrecht, so dass die Zykluslebensdauer sehr gut sein kann.
Eine neuere und vielversprechende Option für Anodenmaterialien ist Silicium (Si). Im Gegensatz zu der bei Graphit beobachteten interkalativen Ladungsspeicherung bildet Si mit Lithium eine Legierung. Negative Elektroden auf Siliciumbasis sind wegen ihrer hohen theoretischen spezifischen Kapazität von etwa 4200 mAh/g interessant, die weit über der von Kohlenstoff liegt und hinter reinem Li-Metall den zweiten Platz einnimmt. Diese hohe Kapazität ergibt sich aus der Umwandlung der Si-Elektrode in ein Lithiumsilicid, das bei seiner maximalen Kapazität eine Formel Li₂₂Si₆ aufweist und über 25-mal mehr Li pro Atom als Kohlenstoff speichert. Der große Zustrom von Atomen beim Legieren bewirkt jedoch eine volumetrische Ausdehnung der Si-Elektrode um über 400 %. Diese Ausdehnung führt zu einer Spannung der Elektrode, und diese Spannung wird durch die Bildung von Brüchen und letztendlich durch Versagen der Elektrode freigesetzt. Wiederholtes Zyklieren zwischen Li_xSi_y und Si führen somit zum Zerbröckeln der Elektrode und zum Verlust der Interkonnektivität des Materials. So stellten sich beispielsweise bei 1 µm dicken Si-Film-Anoden kurze Zyklisierbarkeitsfenster ein, mit einem jähen Kapazitätsabfall nach nur 20 Zyklen.
Diese Spannung durch volumetrische Ausdehnung wurde bis zu einem gewissen Grad durch Nanostrukturierung des Anodenmaterials gemildert, da sie Raum für die Materialausdehnung schuf. Während nanostrukturierte Si-Materialien für die Li⁺-Ladungsspeicherung im Vergleich zu unstrukturierten Systemen aus den gleichen Materialien theoretisch eine verbesserte Zykluslebensdauer, größere spezifische Kapazitäten und höhere nachhaltige Ladungsraten aufweisen, da nanoskopische Materialien über freien Raum zur Aufnahme der Volumenausdehnung verfügen, sind diese nanostrukturierten Si-Materialien nach wie vor nicht leistungsfähig genug, um in kommerzielle Batterien eingebunden zu werden. Dementsprechend besteht die Notwendigkeit, nanostrukturierte Si-Materialien mit verbesserten Entladungskapazitäten und Lebensdauer-Eigenschaften zu entwickeln.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Ausführungsform besteht aus einem Partikelmaterial, das eine reduzierte Kohlenstoffmatrix enthält, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und eine Mehrzahl von SiC-Nanofasern trägt.
Eine zweite Ausführungsform besteht aus einem Material, das eine Mehrzahl von Partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm enthält, wobei das Partikelmaterial eine mit Siliciumcarbid verstärkte reduzierte Kohlenstoffmatrix umfasst, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.
Eine dritte Ausführungsform besteht aus einem Verfahren zum Herstellen eines Materials zur Verwendung in einer Anode einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei das Verfahren das Thermalisieren einer Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer umfasst, wobei das Thermalisieren der Beimischung das Bilden von SiC-Nanofasern umfasst.
Eine vierte Ausführungsform besteht aus einem Verfahren zum Herstellen eines Materials zur Verwendung in einer Anode einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei das Verfahren das Thermalisieren einer Beimischung aus einer Mehrzahl von Siliciumoxid-Nanopartikeln, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer unter einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 600 °C bis etwa 1200 °C umfasst, und dadurch das Bilden einer Mehrzahl von Partikeln, die eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix umfassen, welche eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.
Eine fünfte Ausführungsform besteht aus einem Verfahren zum Herstellen eines Materials zur Verwendung in einer Anode einer Lithium-Ionen-Batterie, wobei das Verfahren das Thermalisieren einer Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einer Mehrzahl von Siliciumcarbidfasern umfasst, und dadurch das Bilden einer Mehrzahl von Partikeln, die eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix umfassen, welche eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.
Eine sechste Ausführungsform besteht aus einer Zusammensetzung zur Verwendung in einer Anode einer Sekundärbatterie, die ein anodenaktives Material enthält, und eine Bindemittelzusammensetzung, die eine Mehrzahl von SiC-Nanodrähten umfasst, die in einem Polymerbindemittel angeordnet sind.
Eine siebte Ausführungsform besteht aus einer Anode, die eine Mehrzahl von Partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm enthält und eine mit Siliciumcarbid verstärkte reduzierte Kohlenstoffmatrix umfasst, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.
Eine achte Ausführungsform besteht aus einer Anode, die eine Anodenzusammensetzung enthält, die an einem Stromkollektor befestigt ist, wobei die Anodenzusammensetzung ein anodenaktives Material enthält, das in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert ist.
Eine neunte Ausführungsform besteht aus einer Lithiumbatterie, die eine Kathode, eine Anode und einen Separator umfasst, der in einem Batteriegehäuse mit einem Elektrolyten in ionischem Kontakt sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode versiegelt ist, wobei die Anode eine Anodenzusammensetzung umfasst, die an einem Stromkollektor befestigt ist; die Anodenzusammensetzung umfasst eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt, die in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert sind; die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix umfasst ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken; das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel umfasst ein Polymerbindemittel und die äußeren SiC-Nanofasern.
Eine zehnte Ausführungsform besteht aus einer Lithium-Ionen-Batterie, die eine Kathode enthält, aus einer Anode, die aktive Partikel umfasst, die jeweils eine Kohlenstoffmatrix, SiC-Nanofasern und Nanokristalle umfassen, die mindestens eines von Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Titan (Ti), Aluminium (AI) oder Magnesium (Mg) umfassen, wobei die Nanokristalle in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, aus einem Elektrolyten, der die Anode und die Kathode ionisch koppelt, und aus einem Separator, der die Anode und die Kathode elektrisch trennt.
Eine elfte Ausführungsform besteht aus einer Lithiumbatterie, die eine Kathode, eine Anode und einen Separator umfasst, der in einem Batteriegehäuse mit einem Elektrolyten in ionischem Kontakt sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode versiegelt ist, wobei die Anode eine Anodenzusammensetzung umfasst, die an einem Stromkollektor befestigt ist, die Anodenzusammensetzung Partikelmaterial umfasst, das in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert sind, das Partikelmaterial jeweils Siliziumnanokristalle aufweist, die in eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, wobei das Partikelmaterial eine Zusammensetzung aufweist, die etwa 1 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% Siliciummetall, etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid und etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff enthält, die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix SiC-Nanofasern enthält, die in ein Kohlenstoffbestandsmaterial eingebettet sind, wobei die eingebetteten SiC-Nanofasern innere SiC-Nanofasern sind und innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden, das Partikelmaterial mit den äußeren SiC-Nanofasern sich weiterhin von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstreckt, und wobei das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel ein Polymerbindemittel und die äußeren SiC-Nanofasern enthält.
Figurenliste
Ein vollständigeres Verständnis der Offenbarung erschließt sich in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Figurenzeichnungen, in denen:

1 ein allgemeines Prozessflussdiagramm der Herstellung der in dieser Schrift beschriebenen Materialien ist;
2 ein Prozessflussdiagramm der Herstellung der in den Beispielen dargestellten Materialien ist;
3 eine REM-Aufnahme des gemäß Beispiel 1 hergestellten Materials ist;
4 eine REM-Aufnahme des gemäß Beispiel 2 hergestellten Materials ist;
5 eine REM-Aufnahme des gemäß Beispiel 3 hergestellten Materials ist;
6 eine REM-Aufnahme des gemäß Beispiel 4 hergestellten Materials ist;
7 eine erweiterte Ansicht eines Ausschnitts des in 6 gezeigten Materials abbildet;
8 eine REM-Aufnahme des Vergleichsbeispiels ist;
9 Diagramme der spezifischen Kapazität und der Kapazitätsretention vs. Zykluszahl von 15%-Zellen unter Verwendung der gemäß Beispiel 2 vorbereiteten Materialien vs. dem Vergleichsbeispiel zeigt;
10 Diagramme der spezifischen Kapazität und der Kapazitätsretention vs. Zykluszahl von graphitfreien Zellen unter Verwendung der gemäß Beispiel 2 vorbereiteten Materialien vs. dem Vergleichsbeispiel zeigt, und
11 ein Diagramm der theoretischen spezifischen Kapazität graphitfreier Zellen zeigt, die aus den Materialien in den Beispielen 4, 5 und 6 zusammengesetzt sind, wobei die theoretische spezifische Kapazität in % auf der Grundlage einer idealisierten graphitfreien Zelle ((gemessener SC/ idealisierter SC)*100) bestimmt wird, die gegen den Massenprozentsatz der Übergangsmetallsalze grafisch dargestellt ist, welche einer Zusammensetzung beigemischt werden, die dann gemäß den Beschreibungen in dieser Schrift thermalisiert wird;
12 Diagramme der spezifischen Kapazität und der Kapazitätsretention vs. Zykluszahl für Pouch-Zellen unter Verwendung der gemäß Beispiel 2 vorbereiteten Materialien bei verschiedenen Spannungsfenstern im Vergleich zu einer Pouch-Zelle unter Verwendung einer Graphitanode zeigt.

In den Figuren sind zwar bestimmte Ausführungsformen dargestellt, wobei die Offenbarung der Veranschaulichung dienen soll, doch sollen diese Ausführungsformen nicht dazu dienen, die in dieser Schrift beschriebene und veranschaulichte Erfindung einzuschränken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar auf spezifische Ausführungsformen der Erfindung hinweisen, jedoch nur zur Veranschaulichung angeführt werden, da dem Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifikationen im Rahmen des erfinderischen Gedankens und Schutzumfangs der Erfindung ersichtlich werden.
In dieser Schrift kann die Verwendung des Wortes „ein“ oder „eine“ in Verbindung mit dem Begriff „umfassend“ in den Ansprüchen und/oder in der Patentschrift „eins“ bedeuten, ist jedoch auch mit der Bedeutung von „ein(e) oder mehrere“, „mindestens ein(e)“ und „ein(e) oder mehr als ein(e)“ vereinbar. Der Begriff „etwa“ bezeichnet im Allgemeinen den angegebenen Wert plus oder minus 5 %. Die Verwendung des Begriffs „oder“ in den Ansprüchen bedeutet „und/oder“, es sei denn, es ist ausdrücklich angegeben, dass es sich nur auf Alternativen bezieht oder die Alternativen sich gegenseitig ausschließen, obwohl die Offenbarung eine Definition unterstützt, die sich nur auf Alternativen und „und/oder“ bezieht.
In dieser Schrift sind Produkte, Prozesse und Anoden beschrieben, die Silicium-Nanokristalle zur Verwendung in Lithium-Ionen-Batterien enthalten. Eine Ausführungsform ist ein Partikelmaterial, das eine Kohlenstoffmatrix enthält, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und eine Mehrzahl von SiC-Nanofasern trägt. Das Partikelmaterial, vorzugsweise eine Mehrzahl von Partikeln, kann einen Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 100 µm, etwa 100 nm bis etwa 50 µm, etwa 100 nm bis etwa 25 µm, etwa 150 nm bis etwa 25 µm, etwa 200 nm bis etwa 25 µm, etwa 250 nm bis etwa 25 µm, etwa 300 nm bis etwa 25 µm, etwa 350 nm bis etwa 25 µm, etwa 400 nm bis etwa 25 µm, etwa 450 nm bis etwa 25 µm, etwa 500 nm bis etwa 25 µm, etwa 500 nm bis etwa 20 µm, etwa 500 nm bis etwa 15 µm, etwa 500 nm bis etwa 10 µm oder etwa 500 nm bis etwa 5 µm und eine Zusammensetzung aufweisen, die eine Kohlenstoffmatrix enthält, welche eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und eine Mehrzahl von SiC-Nanofasern enthält. Das heißt, dass jedes Partikelmaterial vorzugsweise ein Zusammensetzungsgemisch aus den Silicium-Nanokristallen und SiC-Nanofasern in einer Kohlenstoffmatrix ist. Vorzugsweise sind der Silicium-Nanokristall und die SiC-Nanofasern in die Kohlenstoffmatrix eingestreut. Stärker bevorzugt sind die Silicium-Nanokristalle und die SiC-Nanofasern in einer reduzierten Kohlenstoffmatrix eingestreut, d.h. einer Matrix, die reduzierten Kohlenstoff (z.B. amorphen Kohlenstoff oder Ruß) enthält, aus diesem oder im Wesentlichen aus diesem besteht.
Jedes Partikelmaterial hat eine Oberfläche und ein Innenvolumen. Vorzugsweise umfasst das Innenvolumen die Silicium-Nanopartikel und SiC-Nanofasern, die in der Kohlenstoffmatrix getragen werden und in diese eingestreut sind. In einem Fall befinden sich die SiC-Nanofasern vollständig innerhalb des Innenvolumens. Das heißt, die SiC-Nanofasern befinden sich vollständig innerhalb des Innenvolumens, wenn sie sich nicht von der Oberfläche des Partikelmaterials nach außen erstrecken. Insbesondere kann die Oberfläche des Partikelmaterials die SiC-Nanofasern enthalten. In einem anderen Fall befinden sich die SiC-Nanofasern innerhalb des Innenvolumens und erstrecken sich von der Oberfläche des Partikelmaterials nach außen. In einem Beispiel sind die SiC-Nanofasern in das Partikelmaterial eingebettet und erstrecken sich vom Partikelmaterial nach außen. Vorzugsweise ist das Material frei von nicht eingebetteten SiC-Nanofasern, d.h. das Material ist vorzugsweise frei von losen oder freien SiC-Nanofasern.
In dieser Schrift beziehen sich SiC-Nanofasern auf SiC-Materialien mit Längen, Breiten und Höhen, die zwischen etwa 5 nm und etwa 10.000 nm, vorzugsweise zwischen etwa 5 nm und etwa 5.000 nm oder zwischen etwa 5 nm und etwa 1.000 nm liegen. Stärker bevorzugt sind die SiC-Nanofasern faserig, d.h. die Länge der Nanofasern ist länger als die Breite und Höhe. In einem Fall weisen die SiC-Nanofasern ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 5, mindestens 10, mindestens 15, mindestens 20, mindestens 25, mindestens 30, mindestens 35, mindestens 40, mindestens 45, mindestens 50, mindestens 75, mindestens 100, mindestens 125, mindestens 150, mindestens 175 oder mindestens 200 auf.
In einigen Beispielen erstrecken sich die SiC-Nanofasern vom Partikelmaterial nach außen und sind zumindest teilweise in das Partikelmaterial eingebettet. Die externen SiC-Nanofasersegmente, d.h. jene Segmente, die sich von den Partikeln erstrecken, können Längen von etwa 1 nm bis etwa 1.000 nm, etwa 1 nm bis etwa 500 nm, etwa 1 nm bis etwa 400 nm, etwa 1 nm bis etwa 300 nm, etwa 1 nm bis etwa 250 nm, etwa 1 nm bis etwa 200 nm, etwa 1 nm bis etwa 150 nm oder etwa 1 nm bis etwa 100 nm aufweisen.
Die SiC-Nanofasern weisen vorzugsweise kristalline SiC-Domänen auf, die sich entlang der Länge der Nanofaser erstrecken. In einem Fall tragen die SiC-Nanofasern eine amorphe Oberflächenschicht. In einem Fall besteht die Oberflächenschicht aus amorphem SiO_x (wobei beispielsweise x ein Wert von 1 bis 2 ist). In einem anderen Fall besteht die Oberflächenschicht aus amorphem Kohlenstoff. In einem weiteren Fall umfasst die amorphe Schicht zwei Schichten, wobei eine Schicht aus SiO_x und die andere aus Kohlenstoff bestehen kann. In einem weiteren Fall kann die amorphe Schicht eine Siliciumoxycarbidschicht (SiO_xC_y) enthalten.
Das Partikelmaterial hat eine Zusammensetzung, die Siliciummetall, Siliciumcarbid und Kohlenstoff enthält (beispielsweise, wie in der Kohlenstoffmatrix dargestellt, als reduzierter Kohlenstoff). In Bezug auf Siliciummetall kann das Partikelmaterial etwa 1 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% Siliciummetall, etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Siliciummetall, vorzugsweise etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Siliciummetall, etwa 10 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% Siliciummetall oder etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% Siliciummetall enthalten. Was Siliciumcarbid betrifft, so kann das Partikelmaterial etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid, vorzugsweise etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Siliciumcarbid, etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Siliciumcarbid oder etwa 2,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Siliciumcarbid enthalten. In Bezug auf Kohlenstoff kann das Partikelmaterial etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 20 Gew.-% bis etwa 90 Gew-% Kohlenstoff, etwa 25 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 40 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-% Kohlenstoff oder etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% Kohlenstoff enthalten. In einem Beispiel kann das Partikelmaterial etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 20 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 25 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 40 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-% Kohlenstoff oder etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% Kohlenstoff enthalten, und kann weiterhin etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Siliciummetall, vorzugsweise etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Siliciummetall, etwa 10 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% Siliciummetall oder etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% Siliciummetall enthalten. Dieses Beispiel kann außerdem weiterhin etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid, vorzugsweise etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Siliciumcarbid, etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Siliciumcarbid oder etwa 2,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Siliciumcarbid enthalten. In einem weiteren Beispiel kann das Partikelmaterial etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 20 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 25 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff, vorzugsweise etwa 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 30 Gew.-% bis etwa 70 Gew.-% Kohlenstoff, etwa 40 Gew.-% bis etwa 65 Gew.-% Kohlenstoff oder etwa 40 Gew.-% bis etwa 60 Gew.-% Kohlenstoff enthalten, und kann weiterhin etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid, vorzugsweise etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Siliciumcarbid, etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Siliciumcarbid oder etwa 2,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Siliciumcarbid enthalten. In noch einem weiteren Beispiel kann das Partikelmaterial etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% Siliciummetall, vorzugsweise etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Siliciummetall, etwa 10 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% Siliciummetall oder etwa 15 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-% Siliciummetall und kann weiterhin etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid, vorzugsweise etwa 1,5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% Siliciumcarbid, etwa 2 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% Siliciumcarbid oder etwa 2,5 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% Siliciumcarbid enthalten.
In einem bevorzugten Fall kann das Partikelmaterial Siliciummetall (d.h. Silicium-Nanokristalle), Siliciumcarbid und Kohlenstoff (beispielsweise wie in der Kohlenstoffmatrix dargestellt) enthalten. In einem anderen Fall kann das Partikelmaterial im Wesentlichen aus Siliciummetall (d.h. Silicium-Nanokristalle), Siliciumcarbid und Kohlenstoff (beispielsweise wie in der Kohlenstoffmatrix dargestellt) bestehen. In dieser Schrift enthält das Partikelmaterial vorzugsweise weniger als 5 Gew.-%, weniger als 4 Gew.-%, weniger als 3 Gew.-%, weniger als 2 Gew.-% oder weniger als 1 Gew.-% an Materialien, die nicht Siliciummetall, Siliciumcarbid oder Kohlenstoff sind. In einem weiteren Fall kann das Partikelmaterial Siliciummetall, Siliciumcarbid, Kohlenstoff und einen Katalysator oder die Reste eines Katalysators enthalten. Vorzugsweise setzen sich der Katalysator oder Reste des Katalysators aus höchstens 10 Gew.-%, höchstens 7,5 Gew.-% oder 5 Gew.-% des Partikelmaterials zusammen.
Eine andere Ausführungsform ist ein Material, das eine Mehrzahl von Partikeln, vorzugsweise mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm enthält, und das eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix umfasst, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt. In einem Beispiel besteht das Partikelmaterial im Wesentlichen aus der mit Siliciumcarbid verstärkten Kohlenstoffmatrix, die die Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt. In einem anderen Beispiel ist das Partikelmaterial kugelförmig. In einem weiteren Beispiel enthalten die Silicium-Nanokristalle mehr als etwa 70 Gew.-% Siliciummetall, vorzugsweise mehr als etwa 95 Gew.-% Siliciummetall. In einem weiteren Beispiel enthalten die Silicium-Nanokristalle eine Siliciumlegierung.
Die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix enthält vorzugsweise ein Kohlenstoffbestandsmaterial und SiC-Nanofasern. In dieser Schrift ist ein Kohlenstoffbestandsmaterial ein Material auf Kohlenstoffbasis, das die SiC-Nanofasern bindet/hält und vorzugsweise aus mindestens 50 Gew.-%, 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-%, 90 Gew.-%, 95 Gew.-% oder 99 Gew.-% Kohlenstoff besteht. In einem Fall besteht das Kohlenstoff bildende Material im Wesentlichen aus Kohlenstoff. In einem anderen Fall ist das Kohlenstoff bildende Material das Thermolyseprodukt eines Kohlenstoffmatrix-Vorläufers, wie unten beschrieben. Ein Beispiel für das Kohlenstoff bildende Material ist ein reduzierter Kohlenstoff, zum Beispiel amorpher Kohlenstoff oder Ruß.
In einem Beispiel enthält die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix SiC-Nanofasern, die innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden, sowie SiC-Nanofasern, die sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken. In einem anderen Beispiel umfasst die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern. Die inneren SiC-Nanofasern befinden sich innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials, die äußeren SiC-Nanofasern erstrecken sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials. Äußere SiC-Nanofasern sind in den 3 und 4 problemlos zu beobachten. Ein kleinerer Prozentsatz von SiC-Nanofasern kann in der erweiterten Ansicht von 7 beobachtet werden.
In einem bevorzugten Fall enthält das Material, das das Partikelmaterial einer mit Siliciumcarbid verstärkten Kohlenstoffmatrix enthält, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt, außerdem ein Bindemittel. Vorzugsweise enthält das Material ein mit Siliciumcarbid verstärktes Bindemittel, das die äußeren SiC-Nanofasern enthält, die dem Bindemittel beigemischt sind.
Die Materialien können durch ein Verfahren hergestellt werden, das vorzugsweise das Thermalisieren einer Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer umfasst. Die Beimischung kann ein Massenverhältnis der Silicium-Nanokristalle zum Kohlenstoffmatrix-Vorläufer von etwa 10:1 bis etwa 1:10, etwa 10:1 bis etwa 1:5, etwa 5:1 bis etwa 1:5, etwa 4:1 bis etwa 1:4, etwa 3:1 bis etwa 1:3 oder etwa 2,5:1 bis etwa 1:2,5 umfassen, alternativ kann die Beimischung ein Massenverhältnis der Silicium-Nanokristalle zum Kohlenstoffmatrix-Vorläufer von etwa 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9 oder 1:10 umfassen. Alternativ kann die Beimischung etwa 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-%, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% der Silicium-Nanokristalle enthalten, sie kann 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-%, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% des Kohlenstoffmatrix-Vorläufers enthalten, und sie kann 0,01 Gew.-%, 0,02 Gew.-%, 0,025 Gew.-%, 0,03 Gew.-%, 0,035 Gew.-%, 0,040 Gew.-%, 0,045 Gew.-%, 0,050 Gew.-%, 0,055 Gew.-%, 0,060 Gew.-%, 0,065 Gew.-%, 0,070 Gew.-%, 0,075 Gew.-%, 0,080 Gew.-%, 0,085 Gew.-%, 0,090 Gew.-%, 0,095 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,25 Gew.-%, 0,3 Gew.-%, 0,35 Gew.-%, 0,40 Gew.-%, 0,45 Gew.-%, 0,50 Gew.-%, 0,55 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 0,65 Gew.-%, 0,7 Gew.-%, 0,75 Gew.-%, 0,8 Gew.-%, 0,85 Gew.-%, 0,9 Gew.-%, 0,95 Gew.-%, 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10 Gew.-% des Katalysators oder Katalysator-Vorläufers enthalten.
In dieser Schrift haben Silicium-Nanokristalle vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von weniger als etwa 1.000 nm, 500 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm oder 50 nm und mehr als etwa 1 nm, 5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm oder 50 nm. Vorzugsweise weisen die Silicium-Nanokristalle einen D₉₀-Wert von etwa 1.000 nm, 500 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm oder 50 nm auf, stärker bevorzugt einen D₅₀-Wert von etwa 1.000 nm, 500 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm oder 50 nm. In einem Fall sind die Silicium-Nanokristalle kugelförmig. In einem anderen Fall ist die Morphologie der Silicium-Nanokristalle plättchenartig. Die Silicium-Nanokristalle bestehen vorzugsweise aus Siliciummetall oder einer Siliciumlegierung. In einem Beispiel ist das Siliciummetall analytisch reines Silicium, z.B. ein monokristallines Silicium, das in der Halbleiter-/Computerfertigung verwendet wird. In einem anderen Beispiel wird das Siliciummetall wiederaufbereitet oder zu Schrott aus der Halbleiter- oder Solarindustrie. In einem weiteren Beispiel ist das Siliciummetall eine Siliciumlegierung. Eine Siliciumlegierung kann eine binäre Legierung (Silicium plus ein Legierungselement) sein, kann eine tertiäre Legierung sein oder eine Mehrzahl von Legierungselementen enthalten. Die Siliciumlegierung gilt als Majoritäts-Silicium. Ein Majoritäts-Siliciumteilchen bedeutet, dass das Metall einen Massenprozentsatz aufweist, der größer als etwa 50% (50 Gew.-%) Silicium, vorzugsweise größer als etwa 60 Gew.-%, 70 Gew.-%, 80 Gew.-%, 90 Gew.-%, 95 Gew.-%, 96 Gew.-%, 97 Gew.-%, 98 Gew.-%, 99 Gew.-% oder 99,5 Gew.-% Silicium ist; diese können Siliciumlegierungen enthalten, die Silicium und mindestens ein Legierungselement umfassen. Das Legierungselement kann z.B. ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Element der Gruppe 13 bis 16, ein Übergangselement, ein Seltenerdelement oder eine Kombination davon, nicht jedoch Si, sein. Das Legierungselement kann z.B. Li, Na, Mg, Ca, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, B, AI, Ga, In, Ge, Sn, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te oder eine Kombination davon sein. In einem Fall kann das Legierungselement Lithium, Magnesium, Aluminium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer oder ein Gemisch davon sein. In einem anderen Fall kann die Siliciumlegierung aus SiTiNi, SiAIMn, SiAIFe, SiFeCu, SiCuMn, SiMgAl, SiMgCu oder einer Kombination davon ausgewählt sein.
In einem anderen Beispiel sind die Silicium-Nanokristalle polykristalline Silicium-Nanokristalle. In dieser Schrift ist ein polykristalliner Silicium-Nanokristall ein diskreter Silicium-Nanokristall, der mehrere Kristalldomänen besitzt. Die Domänen können dieselbe Kristallstruktur besitzen und diskontinuierliche Domänen aufweisen, oder die Domänen können unterschiedliche Kristallstrukturen aufweisen. In einem Beispiel sind die Domänen alle aus kubisch-diamantförmigem Silicium (z.B. mit einer Gitterkonstanten von 5,431 Å In einem anderen Beispiel umfassen die Domänen ein diamantförmig-kubisches Silicium und ein diamantförmig-hexagonales Silicium. In einem weiteren Beispiel umfassen die Domänen ein diamantförmig-kubisches Silicium und amorphes Silicium. In einem weiteren Beispiel umfassen die Domänen ein diamantförmig-kubisches Silicium, ein diamantförmig-hexagonales Silicium und amorphes Silicium. In einem bevorzugten Fall hat das Siliciummetall einen wesentlichen Anteil, der in einer diamantförmig-kubischen Kristallstruktur vorliegt. Vorzugsweise weisen mindestens 10 Atom-%, 20 Atom-%, 25 Atom-%, 30 Atom-%, 35 Atom-%, 40 Atom-%, 45 Atom-%, 50 Atom-%, 55 Atom-%, 60 Atom-%, 65 Atom-%, 70 Atom-%, 75 Atom-%, 80 Atom-%, 85 Atom-%, 90 Atom-% oder 95 Atom-% des Siliciummetalls eine diamantförmig-kubische Kristallstruktur auf. Insbesondere kann das Siliciummetall monokristallin oder polykristallin sein. Darüber hinaus kann das Siliciummetall Legierungselemente enthalten, solange die Kristallstruktur einen wesentlichen Teil der diamantförmig-kubischen Struktur beibehält.
In einem weiteren Beispiel sind die Silicium-Nanokristalle beschichtete Silicium-Nanokristalle, wobei das Silicium eine organische oder kohlenstoffbasierte Beschichtung trägt. In einem Fall enthält die organische Beschichtung eine Alkyl- oder Alkynylfunktionalität, die über eine kovalente Si-C-Bindung an eine Oberfläche des Silicium-Nanokristalls gebunden ist. In einem anderen Fall umfasst die kohlenstoffbasierte Beschichtung eine Graphitschicht (z.B. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Graphenblätter), die auf einer Oberfläche des Silicium-Nanokristalls getragen wird. Vorzugsweise enthält in jenen Fällen, in denen der Silicium-Nanokristall eine organische oder auf Kohlenstoff basierende Beschichtung trägt, der beschichtete Silicium-Nanokristall mehr als etwa 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% Silicium (z.B. Siliciummetall oder Siliciumlegierung) und mehr als 0,1 Gew.-% und weniger als 50 Gew.-%, 45 Gew.-%, 40 Gew.-%, 35 Gew.-%, 30 Gew.-%, 25 Gew.-%, 20 Gew.-%, 15 Gew.-%, 10 Gew.-% oder 5 Gew.-% der organischen oder auf Kohlenstoff basierenden Beschichtung.
In noch einem weiteren Beispiel tragen die Silicium-Nanokristalle eine Oxidschicht (z.B. eine Siliciumoxidschicht). Vorzugsweise hat die Siliciumoxidschicht eine Dicke von weniger als 10 nm, 9 nm, 8 nm, 7 nm, 6 nm, 5 nm, 4 nm, 3 nm, 2 nm oder 1 nm. In einem Fall ist die Oxidschicht ein natives Oxid, in einem anderen Fall ist die Oxidschicht ein thermisches Oxidationsprodukt.
In dieser Schrift ist ein Kohlenstoffmatrix-Vorläufer eine organische Verbindung, die thermisch zu einer Kohlenstoffmatrix verarbeitet werden kann; d.h. der Kohlenstoffmatrix-Vorläufer ist eine organische Verbindung, die thermisch reduziert werden kann, um einen reduzierten Kohlenstoff zu liefern, d.h., dass sie eine reduzierte Kohlenstoffmatrix liefert. Beispiele für Kohlenstoffmatrix-Vorläufer sind Phenolharz, Pech, Polyacrylnitril, Poly(furfurylalkohol) und Gemische davon. Vorzugsweise ist der Kohlenstoffmatrix-Vorläufer bei Raumtemperatur und -druck fest, stärker bevorzugt hat der Kohlenstoffmatrix-Vorläufer einen Schmelz- und/oder Erweichungspunkt, der über 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C oder 300 °C liegt.
Weitere Beispiele sind Steinkohlenteerpech von Weichpech bis Hartpech, aus Kohle gewonnenes Schweröl wie trocken destilliertes Verflüssigungsöl, Schweröle auf Erdölbasis einschließlich direkt destillierter Schweröle wie atmosphärischer Rückstand und Vakuumrückstand, Rohöl und zersetztes Schweröl wie Ethylenteer, das/der als Nebenprodukt bei einem thermischen Zersetzungsprozess von Naphtha usw. anfällt, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Acenaphthylen, Decacyclen, Anthracen und Phenanthren, Polyphenylene wie Phenazin, Biphenyl und Terphenyl, Polyvinylchlorid, wasserlösliche Polymere wie Polyvinylalkohol, Polyvinylbutyral und Polyethylenglykol und unlöslich gemachte Produkte davon, stickstoffhaltige Polyacrylnitrile, organische Polymere wie Polypyrrol, organische Polymere wie schwefelhaltiges Polythiophen und Polystyrol, natürliche Polymere wie Saccharide, z.B. Glukose, Fruktose, Laktose, Maltose und Saccharose, thermoplastische Harze wie Polyphenylensulfid und Polyphenylenoxid, und thermoplastische Harze wie Phenol-Formaldehydharz und Imidharz.
Der Katalysator oder Katalysatorvorläufer kann Nickel, Kupfer, Eisen, Zink oder ein Gemisch davon enthalten. In einem Fall enthält der Katalysator oder Katalysatorvorläufer Nickel, Kupfer oder ein Gemisch davon. Vorzugsweise enthält der Katalysator oder Katalysatorvorläufer Nickel. In einem bestimmten Fall ist der Katalysator oder Katalysatorvorläufer Nickelmetall oder Nickeloxid. In einem anderen Fall ist der Katalysatorvorläufer ein Nickelsalz. In einem Beispiel kann das Nickelsalz beispielsweise aus Nickelacetat, Nickelnitrat, Nickelchlorid, Nickelcarbonat, Nickelperchlorat oder Kombinationen davon ausgewählt sein. In einem bevorzugten Beispiel enthält das Nickelsalz ein Nickelnitrat oder eine Kombination damit. Hiermit beziehen sich die Begriffe Katalysator und Katalysatorvorläufer auf identifizierbare Verbindungen oder Kombinationen, die unter Reaktionsbedingungen katalytische Stellen für Reaktionen bieten. Bemerkenswert ist, dass viele identifizierte Materialien eigentlich Katalysatorvorläufer sind und die Verbindungen oder Materialien, die die katalytischen Stellen bieten, nicht bestimmt werden können. In einem spezifischen Beispiel umfasst die Beimischung den Katalysatorvorläufer, wobei das Verfahren die Reduktion des Katalysatorvorläufers zu einem Katalysator umfasst. Dabei kann der Prozess das Reduzieren des Katalysatorvorläufers zu einem Katalysator umfassen, und dann das Thermalisieren der Beimischung aus der Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, dem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und dem Katalysator.
In einem anderen bevorzugten Fall umfasst die Beimischung eine Mehrzahl von kugelförmigen Partikeln, die jeweils Silicium-Nanokristalle, Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und Katalysator oder Katalysatorvorläufer enthalten. Damit kann der Prozess weiterhin einen Schritt zur Bildung der Mehrzahl von kugelförmigen Partikeln durch eine biphasische Technik umfassen. In einem Beispiel kann die biphasische Technik aus Sprühtrocknung, Emulgierung und/oder Ausfällung bestehen. In einem bevorzugten Beispiel besteht die biphasische Technik aus Sprühtrocknung. In einem anderen Fall kann die Beimischung jede beliebige Form oder Größe aufweisen, wobei Silicium-Nanokristalle, Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und Katalysator oder Katalysatorvorläufer eingeschlossen sind. In einem Fall kann diese Beimischung eine homogene feste Masse oder Dispersion sein. In einem Beispiel kann diese Masse vor dem Thermalisierungsschritt zerbröckelt oder trituriert werden; in einem anderen Beispiel kann die Masse nach dem Thermalisieren trituriert werden.
Dabei bedeutet das Thermalisieren der Beimischung ein Erhöhen der Temperatur um die Beimischung herum, vorzugsweise ein Erhöhen der Temperatur der Beimischung auf etwa 600 °C bis etwa 1200 °C für etwa 0,5 bis etwa 5 Stunden, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 750 °C bis etwa 1100 °C oder etwa 850 °C bis etwa 1000 °C. In einem Beispiel wird die Beimischung unter einer nicht-oxidierenden Atmosphäre thermalisiert. In einem anderen Beispiel wird die Beimischung unter einer inerten Atmosphäre thermalisiert, wobei vorzugsweise die inerte Atmosphäre Argon (Ar) enthält. In einem weiteren Beispiel wird die Beimischung unter einer reduzierenden Atmosphäre thermalisiert, wobei die reduzierende Atmosphäre vorzugsweise Wasserstoff (H₂) und/oder eine Beimischung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) enthält. Die reduzierende Atmosphäre kann weiterhin ein inertes Trägergas wie vorzugsweise Stickstoff oder Argon enthalten, wobei das inerte Trägergas Argon ist. Zu einer besonders bevorzugten Atmosphäre zählen Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂). Andere bevorzugte Atmosphären sind Formiergas (5 % H₂/N₂), H₂/Ar, H₂/CH₄/N₂, H₂/CH₄/Ar, Gemische davon oder Gemische davon mit CO und/oder CO₂.
Die Beimischung kann weiterhin ein graphitisches Material enthalten. Vorzugsweise kann das graphitische Material aus submikronisiertem Graphit, mikronisiertem Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen, Graphenoxid und Gemischen davon ausgewählt sein. In einem Fall ist das Graphitmaterial submikronisierter Graphit, in einem anderen Fall mikronisierter Graphit, in einem weiteren Fall Kohlenstoff-Nanoröhren, in einem weiteren Fall Graphen, in noch einem weiteren Fall Graphenoxid, in noch einem weiteren Fall kann das Graphitmaterial ein Gemisch davon sein. In einem anderen bevorzugten Fall wird der Katalysator oder Katalysatorvorläufer auf dem Graphitmaterial als katalysatorimprägniertes Graphitmaterial getragen; darin umfasst die Beimischung die Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, den Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und das katalysatorimprägnierte Graphitmaterial. Die Beimischung kann etwa 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-% oder 50 Gew.-% des graphitischen Materials umfassen.
In einem weiteren Fall enthält die Beimischung weiterhin Siliciumoxid. Vorzugsweise enthält die Beimischung Nanopartikel aus Siliciumoxid. In einem Beispiel ist das Siliciumoxid amorph, in einem anderen Beispiel ist das Siliciumoxid kristallin, in noch einem weiteren Beispiel ist das Siliciumoxid polykristallin. In einem besonders bevorzugten Beispiel umfasst die Beimischung Silicium-Nanokristalle und Siliciumoxid-Nanopartikel, wobei stärker bevorzugt die Silicium-Nanokristalle einen D₅-Wert höher als einen D₅₀-Wert der Siliciumoxid-Nanopartikel aufweisen. In einem anderen Beispiel kann die Beimischung etwa 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-% oder 50 Gew.-% des Siliciumoxids enthalten. In einem anderen Beispiel enthält die Beimischung ein Verhältnis von Silicium zu Siliciumoxid von etwa 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1 oder 1:2.
Alternativ kann die Beimischung im Wesentlichen frei von Siliciumoxiden sein. Das heißt, die Beimischung kann weniger als etwa 1 Gew.-% Siliciumoxide, weniger als etwa 0,5 Gew.-% Siliciumoxide, weniger als etwa 0,25 Gew.-% Siliciumoxide, weniger als etwa 0,1 Gew.-% Siliciumoxide, weniger als etwa 0,05 Gew.-% Siliciumoxide oder weniger als etwa 0,01 Gew.-% Siliciumoxide enthalten, wobei vorzugsweise die Beimischung frei von Siliciumoxiden ist, wie durch FTIR bestimmt. Darin kann die Beimischung weiterhin ein oxy-graphitisches Material enthalten, wobei das oxygraphitische Material ein graphitisches Material enthält, das Aldehyd- und Carboxylatgruppen an den Rändern von graphischen Plättchen oder Rohren trägt.
Die Beimischung kann weiterhin Zusatzstoffe, Trägerstoffe, Lösungsmittel und dergleichen enthalten. In einem Fall enthält die Beimischung auch Leiter (z.B. leitfähigen Kohlenstoff). Der/die Leiter können leitfähige Zusätze sein, beispielsweise Super P (z.B. MTI), Super C65 (z.B. IMERY), Super C45 (z.B. IMERY), TIMREX KS6 (z.B. MTI) und KS6L (z.B. IMERY). Vorzugsweise enthält die Beimischung etwa 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9 Gew.-%, 9,5 Gew.-% oder 10 Gew.-% des Leiters.
Das Verfahren zur Vorbereitung des Materials zur Verwendung in einer Anode einer Lithium-Ionen-Batterie kann das Thermalisieren (bei einer Temperatur von etwa 600 °C bis etwa 1200 °C, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 750 °C bis etwa 1100 °C oder etwa 850 °C bis etwa 1000 °C) einer Beimischung aus einer Mehrzahl von Siliciumoxid-Nanopartikeln, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer unter einer reduzierenden Atmosphäre umfassen. Dabei kann die reduzierende Atmosphäre Wasserstoff (H₂) und/oder eine Beimischung von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂) enthalten. Vorzugsweise umfasst das Verfahren das Bereitstellen der Beimischung der Mehrzahl von Siliciumoxid-Nanopartikeln, des Kohlenstoffmatrix-Vorläufers und des Katalysators oder Katalysatorvorläufers und umfasst das Reduzieren des Siliciumoxids zu Siliciummetall während des Thermalisierungsschritts; das Verfahren kann weiterhin das Bilden eines aktiven Katalysators aus dem Katalysatorvorläufer, vorzugsweise während des Thermalisierungsschritts, umfassen.
Die Beimischung kann ein Massenverhältnis der Siliciumoxid-Nanopartikel zum Kohlenstoffmatrix-Vorläufer von etwa 10:1 bis etwa 1:10, etwa 10:1 bis etwa 1:5, etwa 5:1 bis etwa 1:5, etwa 4:1 bis etwa 1:4, etwa 3:1 bis etwa 1:3 oder etwa 2,5:1 bis etwa 1:2,5 umfassen, alternativ kann die Beimischung ein Massenverhältnis der Siliciumoxid-Nanopartikel zum Kohlenstoffmatrix-Vorläufer von etwa 10:1, 9:1, 8:1, 7:1, 6:1, 5:1, 4:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6, 1:7, 1:8, 1:9 oder 1:10 umfassen. Alternativ kann die Beimischung etwa 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-%, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% der Siliciumoxid-Nanopartikel enthalten, sie kann 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-%, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% des Kohlenstoffmatrix-Vorläufers enthalten, und sie kann 0,01 Gew.-%, 0,02 Gew.-%, 0,025 Gew.-%, 0,03 Gew.-%, 0,035 Gew.-%, 0,040 Gew.-%, 0,045 Gew.-%, 0,050 Gew.-%, 0,055 Gew.-%, 0,060 Gew.-%, 0,065 Gew.-%, 0,070 Gew.-%, 0,075 Gew.-%, 0,080 Gew.-%, 0,085 Gew.-%, 0,090 Gew.-%, 0,095 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-%, 0,25 Gew.-%, 0,3 Gew.-%, 0,35 Gew.-%, 0,40 Gew.-%, 0,45 Gew.-%, 0,50 Gew.-%, 0,55 Gew.-%, 0,6 Gew.-%, 0,65 Gew.-%, 0,7 Gew.-%, 0,75 Gew.-%, 0,8 Gew.-%, 0,85 Gew.-%, 0,9 Gew.-%, 0,95 Gew.-%, 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10 Gew.-% des Katalysators oder Katalysator-Vorläufers enthalten.
In einem Fall ist die Beimischung der Mehrzahl von Siliciumoxid-Nanopartikeln, des Kohlenstoffmatrix-Vorläufers und des Katalysators oder Katalysator-Vorläufers frei oder im Wesentlichen frei von Siliciummetall. In einem weiteren Fall kann die Beimischung ein graphitisches Material enthalten. In einem weiteren Fall kann die Beimischung im Wesentlichen aus der Mehrzahl von Siliciumoxid-Nanopartikeln, Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und Katalysator oder Katalysatorvorläufer, gegebenenfalls mit dem graphitischen Material, bestehen. Die Beimischung kann etwa 1 Gew.-%, 2 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-% oder 50 Gew.-% des graphitischen Materials umfassen.
Die Siliciumoxid-Nanopartikel haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von weniger als etwa 1.000 nm, 500 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm oder 50 nm und mehr als etwa 1 nm, 5 nm, 10 nm, 15 nm, 20 nm, 25 nm, 30 nm, 35 nm, 40 nm, 45 nm oder 50 nm. Vorzugsweise haben die Siliciumoxid-Nanopartikel einen D₉₀-Wert von etwa 1.000 nm, 500 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm oder 50 nm, stärker bevorzugt einen D₅₀-Wert von etwa 1.000 nm, 500 nm, 400 nm, 350 nm, 300 nm, 250 nm, 200 nm, 150 nm, 100 nm, 75 nm oder 50 nm. In einem Fall sind die Siliciumoxid-Nanopartikel kugelförmig. In einem anderen Fall ist die Morphologie der Siliciumoxid-Nanopartikel plättchenartig. Die Siliciumoxid-Nanopartikel können z.B. das Produkt hydrolytischer Nanopartikel sein, die aus Siloxanen gewachsen sind; in einem anderen Beispiel können die Siliciumoxid-Nanopartikel das aufgeschmolzene Produkt aus einem Sol-Gel-Prozess sein; in einem weiteren Beispiel können die Siliciumoxid-Nanopartikel ein trituriertes Siliciumoxid (Glas/Quarz) sein, wobei das triturierte Siliciumoxid das Ergebnis von z.B. Kugelmahlen oder anderen physikalischen Prozessen sein kann, von denen bekannt ist, dass sie die Größe von Siliciumoxiden zu Nanopartikeln reduzieren.
Das Material zur Verwendung in einer Anode einer Lithium-Ionen-Batterie kann auch durch Thermalisieren einer Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einer Mehrzahl von Siliciumcarbidfasern hergestellt sein. In einem Fall besteht die Beimischung im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einer Mehrzahl von Siliciumcarbidfasern; in einem anderen Fall besteht die Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einer Mehrzahl von Siliciumcarbidfasern. Die Beimischung kann etwa 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-%, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% der Silicium-Nanopartikel enthalten. Die Beimischung kann etwa 10 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-%, 50 Gew.-%, 55 Gew.-%, 60 Gew.-%, 65 Gew.-%, 70 Gew.-%, 75 Gew.-%, 80 Gew.-%, 85 Gew.-%, 90 Gew.-% oder 95 Gew.-% des Kohlenstoffmatrix-Vorläufers enthalten. Die Beimischung kann etwa 10 Gew.-%, 15 Gew.-%, 20 Gew.-%, 25 Gew.-%, 30 Gew.-%, 35 Gew.-%, 40 Gew.-%, 45 Gew.-% oder 50 Gew.-% der Siliciumcarbidfasern enthalten. In dieser Schrift umfasst die Beimischung vorzugsweise Siliciumcarbidfasern mit einer Länge von weniger als 1.000 nm, 900 nm, 800 nm, 700 nm, 600 nm, 500 nm, 400 nm, 300 nm, 200 nm oder 100 nm.
Eine weitere Ausführungsform ist eine Zusammensetzung zur Verwendung in einer Anode einer Sekundärbatterie. Diese Zusammensetzung kann ein anodenaktives Material und eine Bindemittelzusammensetzung mit einer Mehrzahl von in einem Polymerbindemittel angeordneten SiC-Nanodrähten enthalten.
In einigen Fällen kann das anodenaktive Material ein Kohlenstoffbestandsmaterial sein, z.B. kristalliner Kohlenstoff, amorpher Kohlenstoff und Gemische davon. Beispiele für den kristallinen Kohlenstoff sind Graphit, beispielsweise Naturgraphit oder künstlicher Graphit, die in amorpher, Platten-, Lamellen-, Kugel- oder Faserform vorliegen. Beispiele für den amorphen Kohlenstoff sind Weichkohlenstoff (bei niedrigen Temperaturen gesinterter Kohlenstoff), Hartkohlenstoff, Mesophasen-Pechcarbide, Sinterkorken und ähnliche.
In anderen Fällen kann das anodenaktive Material ein nicht Kohlenstoffbestandsmaterial sein. Zum Beispiel kann das anodenaktive Material mindestens ein Material enthalten, das aus der Gruppe bestehend aus einem mit Lithium legierbaren Metall, einer Legierung des mit Lithium legierbaren Metalls, einem Oxid des mit Lithium legierbaren Metalls und beliebigen Kombinationen davon ausgewählt ist. Beispiele für das mit Lithium legierbare Metall sind Si, Sn, AI, Ge, Pb, Bi, Sb, eine Si-Y¹-Legierung (wobei Y¹ ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Element von Gruppe 13 bis Gruppe 16 des Periodensystems der Elemente, ein Übergangsmetall, ein Seltenerdelement oder eine Kombination davon mit Ausnahme von Si ist) und eine Sn-Y¹-Legierung (wobei Y¹ ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall, ein Element von Gruppe 13 bis Gruppe 16, ein Übergangsmetall, ein Seltenerdelement oder eine Kombination davon mit Ausnahme von Sn ist). Y¹ kann Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Strontium (Sr), Barium (Ba), Radium (Ra), Scandium (Sc), Yttrium (Y), Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Rutherfordium (Rf), Vanadium (V), Niob (Nb), Tantal (Ta), Dubnium (Db), Chrom (Cr), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Seaborgium (Sg), Technetium (Tc), Rhenium (Re), Bohrium (Bh), Eisen (Fe), Blei (Pb), Ruthenium (Ru), Osmium (Os), Hassium (Hs), Rhodium (Rh), Iridium (Ir), Palladium (Pd), Platin (Pt), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Gold (Au), Zink (Zn), Cadmium (Cd), Bor (B), Aluminium (AI), Gallium (Ga), Zinn (Sn), Indium (In), Titan (Ti), Germanium (Ge), Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Wismut (Bi), Schwefel (S), Selen (Se), Tellur (Te), Polonium (Po) oder beliebige Kombinationen davon sein. Nicht-einschränkende Beispiele für das Übergangsmetalloxid sind ein Lithium-Titanoxid, ein Vanadiumoxid und ein Lithium-Vanadiumoxid. Nicht-einschränkende Beispiele für das Nicht-Übergangsmetalloxid sind SnO₂ und SiO_x (wobei 0<x<2). Zum Beispiel kann das anodenaktive Material mindestens eines sein, das aus der Gruppe bestehend aus Si, Sn, Pb, Ge, AI, SiOx (wobei 0<x≦2), SnOy (wobei 0<y≦2), Li₄Ti₅O₁₂, TiO₂, LiTiO₃ und Li₂Ti₃O₇ ausgewählt ist, es ist jedoch nicht darauf beschränkt. In einem bevorzugten Fall enthält das anodenaktive Material Silicium oder eine Siliciumlegierung. Noch stärker bevorzugt umfasst die gesamte Zusammensetzung (anodenaktives Material und Bindemittelzusammensetzung) mindestens 25 Gew.-% Silicium als Siliciummetall oder Siliciumlegierung, d.h. Silicium oder Siliciumlegierung in reduzierter Form.
In einem weiteren Fall kann das anodenaktive Material ein Verbundstoff aus einem solchen nicht-Kohlenstoff-bildenden anodenaktiven Material und einem Kohlenstoffbestandsmaterial sein. Alternativ kann das anodenaktive Material ein Gemisch aus einem Kohlenstoff bildenden anodenaktiven Material und einem nicht-Kohlenstoff-bildenden Material sein.
In einem bevorzugten Fall ist oder enthält das anodenaktive Material eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt, wie oben beschrieben. Vorzugsweise umfasst die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken. In einem anderen bevorzugten Fall hat das anodenaktive Material eine Zusammensetzung, die etwa 20 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff als Kohlenstoffmatrix, etwa 5 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% Siliciummetall und die Silicium-Nanokristalle und etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid als SiC-Nanofasern enthält.
Dabei können die SiC-Nanodrähte eine Länge von etwa 10 nm bis etwa 10.000 nm, etwa 10 nm bis etwa 7500 nm, etwa 10 nm bis etwa 5.000 nm, etwa 10 nm bis etwa 4.000 nm, etwa 10 nm bis etwa 3.000 nm oder etwa 10 nm bis etwa 2.000 nm aufweisen. Stärker bevorzugt sind die SiC-Nanofasern faserig, d.h. die Länge der Nanofasern ist länger als die Breite und Höhe. In einem Fall weisen die SiC-Nanofasern ein Verhältnis von Länge zu Breite von mindestens 5, mindestens 10, mindestens 15, mindestens 20, mindestens 25, mindestens 30, mindestens 35, mindestens 40, mindestens 45, mindestens 50, mindestens 75, mindestens 100, mindestens 125, mindestens 150, mindestens 175 oder mindestens 200 auf.
In einem weiteren bevorzugten Fall werden die SiC-Nanodrähte in das anodenaktive Material eingebracht. Das heißt, die SiC-Nanodrähte werden innerhalb des und durch das anodenaktive Material hindurch getragen. Vorzugsweise enthalten die einzelnen SiC-Nanodrähte interne, im anodenaktiven Material angeordnete SiC-Segmente und externe, im Polymerbinder angeordnete SiC-Segmente. In einem anderen Fall können diese externen SiC-Segmente Längen von etwa 1 nm bis etwa 1.000 nm aufweisen.
Eine weitere Ausführungsform ist eine Anode, die die oben beschriebenen Zusammensetzungen enthält. In einem Fall enthält die Anode eine Mehrzahl von Partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von 100 nm bis 50 µm. Das Partikelmaterial enthält eine Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und eine Mehrzahl von SiC-Nanofasern trägt. In einem Fall besteht das Partikelmaterial im Wesentlichen aus der Kohlenstoffmatrix, die die Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und die Mehrzahl von SiC-Nanofasern trägt. Hiermit besteht der Begriff im Wesentlichen aus Mitteln, die besagen, dass das Partikelmaterial kein Material enthält oder in einem Prozentsatz unter etwa 5 Gew.-%, 4 Gew.-%, 3 Gew.-%, 2 Gew.-% oder 1 Gew.-% ein Material enthält, das während des Zyklierens einer Lithium-Ionen-Batterie lithiumaktiv ist (d.h. ein lithiumaktives Material). In einem Beispiel kann das Partikelmaterial im Wesentlichen aus der Kohlenstoffmatrix bestehen, die die Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und die Mehrzahl von SiC-Nanofasern trägt, dennoch kann es einen Katalysator oder verbrauchten Katalysator enthalten. In einem weiteren Fall besteht das Partikelmaterial aus der Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen und eine Mehrzahl von SiC-Nanofasern trägt.
Ein weiteres Beispiel ist eine Anode, die eine Mehrzahl von Partikeln enthält, wobei das Partikelmaterial einen Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm aufweist; auch enthält das Partikelmaterial eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt. Vorzugsweise enthält die Anode einen Stromkollektor, der die Mehrzahl von Partikeln trägt. In einem Fall ist der Stromkollektor ein Blech oder eine Folie (z.B. Kupfer oder Nickel). Stärker bevorzugt trägt der Stromkollektor eine Beimischung eines Bindemittels und die Mehrzahl von Partikeln. In einem Beispiel enthält die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial und SiC-Nanofasern. Die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix kann weiterhin innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern enthalten, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken. Dementsprechend kann das Material ein mit Siliciumcarbid verstärktes Bindemittel enthalten, das eine Beimischung aus den äußeren SiC-Nanofasern und dem Bindemittel ist. Darüber hinaus kann die auf dem Stromkollektor getragene Beimischung weiterhin einen Leiter enthalten (wie oben beschrieben).
Vorzugsweise hat die Anode eine spezifische Kapazität von etwa 1.000 bis etwa 3.500 mAh/g, etwa 1.200 bis etwa 3.500 mAh/g, etwa 1.400 bis etwa 3.500 mAh/g, etwa 1.000 bis etwa 3.000 mAh/g, etwa 1.000 bis etwa 2.500 mAh/g, etwa 1.200 bis etwa 2.500 mAh/g oder etwa 1.500 bis etwa 2.500 mAh/g.
Eine weitere Ausführungsformbesteht aus einer Anode, die eine an einem Stromkollektor befestigte Anodenzusammensetzung enthält, wobei die Anodenzusammensetzung ein anodenaktives Material enthält, das in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert ist. Gegebenenfalls enthält die Anodenkomposition zusätzlich ein Leitmittel. In einem bevorzugten Fall enthält das anodenaktive Material eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt. Stärker bevorzugt umfasst die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken.
Vorzugsweise enthält das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel äußere SiC-Nanofasern. Das heißt, einzelne Nanofasern können sich vom Inneren des anodenaktiven Materials (z.B. innere SiC-Nanofasersegmente) bis zum Äußeren des anodenaktiven Materials (z.B. als äußere SiC-Nanofasersegmente) erstrecken, wobei sie mit einem polymeren Bindemittel vermischt sind und das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel liefern.
In einigen Ausführungsformen kann das Polymerbindemittel unter anderem mindestens ein Bindemittel enthalten, das aus der Gruppe bestehend aus Styrol-Butadien-Kautschuk, acryliertem Styrol-Butadien-Kautschuk, Acrylnitril-Butadien-Kautschuk, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Kautschuk, Acrylkautschuk, Butylkautschuk, Fluorkautschuk, Polytetrafluorethylen, Polyethylen, Polypropylen, einem Ethylen-Propylen-Copolymer, Polyethylenoxid, Polyvinylpyrolidon, Polyepichlorhydrin, Polyphosphazen, Polyacrylat, Polyacrylnitril, Polystyrol, einem Ethylen-Propylen-Dien-Copolymer, Polyvinylpyridin, chlorsulfoniertem Polyethylen, Latex, Polyesterharz, Acrylharz, Phenolharz, Epoxidharz, Polyvinylalkohol, Carboxymethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Hydroxypropylcellulose, Diacetylcellulose und beliebigen Kombinationen ausgewählt ist.
In einigen Ausführungsformen kann das Polymerbindemittel ein wässriges Polymerbindemittel oder ein nichtwässriges Polymerbindemittel sein. Die wässrigen Polymerbindemittelteilchen können sich auf ein wasserdispergierbares (wassergetragenes) Polymerbindemittel beziehen, das leicht in Wasser dispergiert oder gelöst werden kann.
In einigen Ausführungsformen kann die Bindemittelzusammensetzung für eine Sekundärbatterie optional zusätzlich ein Alterungsschutzmittel, ein Anti-Blockierungsmittel oder ein Antischaummittel enthalten.
Zum Beispiel kann die Anode hergestellt werden, indem eine anodenaktive Materialzusammensetzung, die ein anodenaktives Material und eine der in dieser Schrift beschriebenen Bindemittelzusammensetzungsdispersionen enthält, in eine gewünschte Form gegossen wird, oder indem die anodenaktive Materialzusammensetzung auf einen Stromkollektor wie eine Kupferfolie oder dergleichen aufgetragen wird.
Zum Beispiel können ein anodenaktives Material, ein Leitmittel, eine Bindemittelzusammensetzungsdispersion für eine Sekundärbatterie, wie oben beschrieben, und ein Lösungsmittel gemischt werden, um eine anodenaktive Materialzusammensetzung herzustellen. Die Zusammensetzung des anodenaktiven Materials kann direkt auf einen metallischen Stromkollektor aufgetragen werden, um eine Anodenplatte herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zusammensetzung des anodenaktiven Materials auf einen separaten Träger gegossen werden, um einen Film aus anodenaktivem Material zu bilden, der dann vom Träger getrennt und auf einen metallischen Stromkollektor laminiert werden kann, um eine Anodenplatte herzustellen. Die Anode kann eine Mehrzahl von Formen aufweisen; diese sind nicht auf die oben beschriebenen Formen beschränkt.
Nicht einschränkende Beispiele des Leitmittels sind Acetylenschwarz, Ketjenschwarz, Naturgraphit, Kunstgraphit, Ruß, Kohlefaser sowie Metallpulver und Metallfasern aus beispielsweise Kupfer, Nickel, Aluminium oder Silber. In einigen Ausführungsformen kann mindestens ein leitendes Material wie Polyphenylenderivate in Kombination verwendet werden. Jedes in der Technik verfügbare Leitmittel kann verwendet werden. Die oben beschriebenen kristallinen Kohlenstoffbestandsmaterialien können weiterhin als Leitmittel zugesetzt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Zusammensetzung des anodenaktiven Materials zusätzlich zur Bindemittelzusammensetzung für eine Sekundärbatterie gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen auch ein konventionelles, in der Technik verwendetes Bindemittel enthalten. Beispiele für das herkömmliche Bindemittel sind ein Vinylidenfluorid/Hexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat, Polytetrafluorethylen, Gemische davon und ein Styrol-Butadien-Kautschukpolymer, sie sind jedoch nicht darauf beschränkt. Jedes in der Technik als Bindemittel verfügbares Material ist einsetzbar.
Nicht-einschränkende Beispiele für das Lösungsmittel sind N-Methyl-Pyrrolidon, Aceton und Wasser. Jedes in der Technik als Lösungsmittel verfügbare Material ist einsetzbar.
Die Mengen des anodenaktiven Materials, des Leitmittels, des Bindemittels und des Lösungsmittels können den Mengen entsprechen, die im Allgemeinen in Lithiumbatterien verwendet werden. Je nach Verwendung und Struktur der Lithiumbatterie darf mindestens eines von Leitmittel, Bindemittel und Lösungsmittel nicht verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform besteht aus einer Lithiumbatterie mit einer Kathode, einer Anode und einem Separator, der in einem Batteriegehäuse abgedichtet ist, wobei ein Elektrolyt sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode in ionischem Kontakt steht. Vorzugsweise enthält die Anode eine Anodenzusammensetzung, die an einem Stromkollektor befestigt ist, wobei die Anodenzusammensetzung eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix enthält, welche eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt, die in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert sind. Die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix kann ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern enthalten, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken. Darüber hinaus enthält das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel vorzugsweise ein Polymerbindemittel und die äußeren SiC-Nanofasern.
Eine zweite Ausführungsform einer Lithium-Ionen-Batterie enthält eine Kathode, eine Anode, die aktive Partikel umfasst, die jeweils SiC-Nanofasern und Nanokristalle umfassen, die mindestens eines von Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Titan (Ti), Aluminium (AI) oder Magnesium (Mg) enthalten, aus einem Elektrolyten, der die Anode und die Kathode ionisch koppelt, und aus einem Separator, der die Anode und die Kathode elektrisch trennt. Vorzugsweise enthalten die aktiven Partikel einzeln eine Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Nanokristallen trägt, wobei die Nanokristalle Silicium-Nanokristalle sein können, die Silicium-Metall oder eine Silicium-Legierung sein können, aus Silicium-Metall oder einer Silicium-Legierung bestehen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen. Stärker bevorzugt enthält das aktive Partikelmaterial eine SiC-verstärkte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt. Dabei kann die SiC-verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern enthalten, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken. Darüber hinaus kann die Anode ein SiC-verstärktes Bindemittel enthalten, das die äußeren SiC-Nanofasern einschließt.
In einigen Ausführungsformen enthält eine Lithiumbatterie eine beliebige der Anoden gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen. Ein kathodenaktives Material, ein Leitmittel, ein Bindemittel und ein Lösungsmittel können gemischt werden, um eine kathodenaktive Materialzusammensetzung herzustellen. Die Zusammensetzung des kathodenaktiven Materials kann direkt auf einen metallischen Stromkollektor aufgetragen und getrocknet werden, um eine Kathodenplatte herzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann die Zusammensetzung des kathodenaktiven Materials auf einen separaten Träger gegossen werden, um einen Film aus kathodenaktivem Material zu bilden, der dann vom Träger getrennt und auf einen metallischen Stromkollektor laminiert werden kann, um eine Kathodenplatte herzustellen.
Das aktive Kathodenmaterial kann mindestens ein Material enthalten, das aus der aus Lithiumkobaltoxid, Lithium-Nickel-Kobalt-Manganoxid, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid, Lithium-Eisen-Phosphoroxid und Lithium-Manganoxid ausgewählten Gruppe besteht, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Jedes in der Technik verfügbare kathodenaktive Material kann verwendet werden.
Zum Beispiel kann das kathodenaktive Material eine Verbindung sein, die durch eine der folgenden Formeln dargestellt wird: Li_aA_1-bB¹ _bD¹ ₂ (wobei 0,90≦a≦1,8, und 0≦b≦0,5), Li_aE_1-bB¹ _bO₂-_cD¹ _c (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, und 0≦c≦0,05), LiE_2-bB¹ _b0_4-cD¹ _c (wobei 0≦b≦0,5, und 0≦c≦0,05), Li_aNi_1-b-cCO_bB'_cD'_a (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, 0≦c≦0,05, und 0<α≦2), Li_aNi_1-b-cCO_bB¹ _cO_2-aF¹ _a (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, 0≦c≦0,05, und 0<a<2), Li_aNi_1-b-cCO_bB'cO_2-αF¹ ₂(wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, 0≦c≦0,05, und 0<a<2), Li_aNi_1-b-cMn_bB¹ _cD¹ _a (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, 0≦c≦0,05, und 0<α≦2), Li_aNi_1-b-cMn_bB¹ _cO_2-aF¹ _a (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, 0≦c≦0,05, und 0<a<2), Li_aNi_1-b-_cMn_bB¹ _cO_2-aF¹ ₂ (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,5, 0≦c≦0,05, und 0<a<2), Li_aNi_bE_cG_dO₂ (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,9, 0≦b≦0,5, und 0,001≦d≦0,1), Li_aNi_bCo_cMn_dGeO₂ (wobei 0,90≦a≦1,8, 0≦b≦0,9, 0≦b≦0,5, 0≦b≦0,5, und 0,001≦d≦0,1), Li_aNiG_bO₂ (wobei 0,90≦a≦1,8, 0,001≦d≦0,1), Li_aCoG_bO₂(wobei 0,90≦a≦1,8, und 0,001≦b≦0,1), Li_aMnG_bO₂(wobei 0,90≦a≦1,8, und 0,001≦d≦0,1), Li,Mn₂G_bO₄(wobei 0,90≦a≦1,8, und 0,001≦d≦0,1), QO₂, QS₂, LiQS₂, V₂O₅, LiV₂O₅, LilO₂, LiNiVO₄, Li_(3-f)J₂(PO₄)₃ (wobei 0≦f≦2), Li_(3-f)Fe₂(PO₄)₃ (wobei 0≦f≦2), und LiFePO₄.
In den obigen Formeln ist A ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel (Ni), Kobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon; B1 ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (AI), Nickel (Ni), Kobalt (Co), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Strontium (Sr), Vanadium (V), einem Seltenerdelement und Kombinationen davon; D¹ ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sauerstoff (O), Fluor (F), Schwefel (S), Phosphor (P) und Kombinationen davon; E ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt (Co), Mangan (Mn) und Kombinationen davon; F¹ ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Fluor (F), Schwefel (S), Phosphor (P) und Kombinationen davon; G ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium (AI), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Magnesium (Mg), Lanthan (La), Cer (Ce), Strontium (Sr), Vanadium (V) und Kombinationen davon; Q ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan (Ti), Molybdän (Mo), Mangan (Mn) und Kombinationen davon; I ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Chrom (Cr), Vanadium (V), Eisen (Fe), Scandium (Sc), Yttrium (Y) und Kombinationen davon, und ist J ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Vanadium (V), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu) und Kombinationen davon.
In einigen Ausführungsformen können Verbindungen, die oben als kathodenaktive Materialien aufgeführt sind, eine (nachfolgend als „Überzugsschicht“ bezeichnete) Oberflächenbeschichtung aufweisen. Alternativ kann eine Kombination aus der Verbindung ohne Überzugsschicht und der Verbindung mit Überzugsschicht verwendet werden, wobei die Verbindungen aus den oben aufgeführten Verbindungen ausgewählt sind. Die Überzugsschicht kann mindestens eine Verbindung eines Beschichtungselements enthalten, das aus der Gruppe bestehend aus Oxid, Hydroxid, Oxyhydroxid, Oxycarbonat und Hydroxycarbonat des Beschichtungselements ausgewählt ist. Die Verbindungen für die Überzugsschicht können amorph oder kristallin sein. Das Beschichtungselement für die Überzugsschicht kann Magnesium (Mg), Aluminium (AI), Kobalt (Co), Kalium (K), Natrium (Na), Calcium (Ca), Silicium (Si), Titan (Ti), Vanadium (V), Zinn (Sn), Germanium (Ge), Gallium (Ga), Bor (B), Arsen (As), Zirkonium (Zr) oder Gemische davon sein. Die Überzugsschicht kann mit jedem beliebigen Verfahren gebildet werden, das die physikalischen Eigenschaften des kathodenaktiven Materials nicht nachteilig beeinflusst, wenn eine Verbindung des Beschichtungselements verwendet wird. Die Überzugsschicht kann zum Beispiel durch ein Sprühbeschichtungsverfahren, ein Tauchverfahren oder ähnliches gebildet werden. Eine detaillierte Beschreibung davon entfällt.
Zum Beispiel kann das aktive Kathodenmaterial LiNiO₂, LiCoO₂, LiMn_xO_2x(x=1, 2), LiNi_1-xMn_xO₂(0<x<1), LiNi₁-_x-_yCo_xMn_yO₂ (wobei 0≦x≦0,5, 0≦y≦0,5), LiFeO₂, V₂O₅, TiS oder MoS sein.
Das Leitmittel, das Bindemittel und das Lösungsmittel, die für die Zusammensetzung des kathodenaktiven Materials verwendet werden, können die gleichen sein wie die für die Zusammensetzung des anodenaktiven Materials verwendeten. Alternativ kann der Zusammensetzung des kathodenaktiven Materials und/oder der Zusammensetzung des anodenaktiven Materials weiterhin ein Weichmacher zugesetzt werden, um Poren in den Elektrodenplatten zu bilden.
Die Menge des aktiven Materials der Kathodenelektrode, des Leitmittels, des Bindemittels und des Lösungsmittels sind jene Mengen, die im Allgemeinen für die Herstellung einer Lithiumbatterie verwendet werden. Je nach Verwendung und Struktur der Lithiumbatterie darf mindestens eines von Leitmittel, Bindemittel und Lösungsmittel nicht verwendet werden.
Als nächstes wird ein Separator zum Anordnen zwischen der Kathode und der Anode angeordnet. Der Separator kann jeder beliebige üblicherweise für Lithiumbatterien verwendete Separator sein. Der Separator kann einen geringen Widerstand gegen die Ionenwanderung in einem Elektrolyten haben und ein ausgezeichnetes Elektrolyt-Rückhaltevermögen aufweisen. Zu den Beispielen für den Separator zählen Glasfaser, Polyester, Teflon, Polyäthylen, Polypropylen, Polytetrafluoräthylen (PTFE) und eine Kombination davon, die jeweils aus einem nicht-gewebten oder gewebten Stoff bestehen können. Zum Beispiel kann für eine Lithium-Ionen-Batterie ein rollbarer Separator aus Polyethylen oder Polypropylen verwendet werden. Für eine Lithium-Ionen-Polymerbatterie kann ein Separator mit einem guten Rückhaltevermögen für organische Elektrolytlösung verwendet werden. Der Separator kann zum Beispiel wie folgt hergestellt werden.
Ein Polymerharz, ein Füllstoff und ein Lösungsmittel können miteinander vermischt werden, um eine Separatorzusammensetzung herzustellen. Dann kann die Separatorzusammensetzung direkt auf eine Elektrode aufgetragen und anschließend getrocknet werden, um den Separator zu bilden. Alternativ kann die Separatorzusammensetzung auf einen Träger gegossen und dann getrocknet werden, um einen Separatorfilm zu bilden, der dann vom Träger getrennt und auf eine Elektrode laminiert werden kann, um den Separator zu bilden.
Das zur Herstellung des Separators verwendete Polymerharz kann jedes Material sein, das üblicherweise als Bindemittel für Elektrodenplatten verwendet wird. Beispiele für das Polymerharz sind unter anderem ein Vinylidenfluorid/Hexafluorpropylen-Copolymer, Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyacrylnitril, Polymethylmethacrylat und ein Gemisch daraus.
Der Elektrolyt kann eine organische Elektrolytlösung sein. Alternativ kann sich der Elektrolyt auch in einer festen Phase befinden. Nicht einschränkende Beispiele für den Elektrolyten sind Lithiumoxid und Lithiumoxynitrid. Jedes in der Technik als Festelektrolyt verfügbares Material ist einsetzbar. Der Festelektrolyt kann auf der Anode z.B. durch Vakuumzerstäuben gebildet werden.
In einigen Ausführungsformen kann eine organische Elektrolytlösung wie folgt hergestellt werden. Die organische Elektrolytlösung kann durch Auflösen eines Lithiumsalzes in einem organischen Lösungsmittel hergestellt werden. Das organische Lösungsmittel kann jedes beliebige in der Technik als organisches Lösungsmittel zur Verfügung stehende Lösungsmittel sein. Beispiele für das organische Lösungsmittel sind Propylencarbonat, Ethylencarbonat, Fluorethylencarbonat, Butylencarbonat, Dimethylcarbonat, Diethylcarbonat, Methylethylcarbonat, Methylpropylcarbonat, Ethylpropylcarbonat, Methylisopropylcarbonat, Dipropylcarbonat, Dibutylcarbonat, Benzonitril, Acetonitril, Tetrahydrofuran, 2-Methyltetrahydrofuran, γ-Butyrolacton, Dioxoran, 4-Methyldioxoran, N,N-Dimethylformamid, Dimethylacetamid, Dimethylsulfoxid, Dioxan, 1,2-Dimethoxyethan, Sulforan, Dichlorethan, Chlorbenzol, Nitrobenzol, Diethylenglykol, Dimethylether und Gemische davon.
Das Lithiumsalz kann jedes Material sein, das als Lithiumsalz in der Technik verfügbar ist. Das Lithiumsalz kann zum Beispiel LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF_sSO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiAlO₂, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂) (wobei x und y natürliche Zahlen sind), LiCI, Lil oder eine Kombination davon sein.
Im Allgemeinen umfasst eine Lithiumbatterie eine Kathode, eine Anode und einen Separator. Die Kathode, die Anode und der Separator können gewickelt oder gefaltet und dann in einem Batteriegehäuse versiegelt werden. Anschließend kann das Batteriegehäuse mit einer organischen Elektrolytlösung gefüllt und versiegelt werden, womit der Herstellungsprozess der Lithiumbatterie abgeschlossen ist. Das Batteriegehäuse kann ein zylindrischer Typ, ein rechteckiger Typ oder ein Dünnschicht-Typ sein. Zum Beispiel kann die Lithiumbatterie eine Dünnschichtbatterie sein. Bei der Lithiumbatterie kann es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln.
Der Separator kann zwischen der Kathode und der Anode angeordnet sein, um eine Batterieanordnung zu bilden. In einigen Ausführungsformen kann die Batterieanordnung in einer Zwei-Zellen-Struktur gestapelt und mit der Elektrolytlösung imprägniert sein. Das Ergebnis wird in einen Beutel gefüllt und hermetisch verschlossen, womit die Herstellung einer Lithium-Ionen-PolymerBatterie abgeschlossen ist.
In einigen anderen Ausführungsformen können mehrere Batteriebaugruppen zu einem Batteriesatz gestapelt sein, der in jedem geeigneten Gerät verwendet werden kann, das bei hohen Temperaturen betrieben wird und eine hohe Leistung benötigt, z.B. in einem Laptop-Computer, einem Smartphone, einem Elektrofahrzeug und dergleichen.
Die Lithiumbatterie kann erhöhte Lade-/Entladeraten, elektrische Kapazitäten und Lebensdauer-Charakteristika aufweisen und somit in einem Elektrofahrzeug (EV) einsetzbar sein, zum Beispiel in einem Hybridfahrzeug wie einem Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeug (PHEV).
BEISPIELE
Die Produkte wurden unter Anwendung von GLP-Standardverfahren für den Umgang mit den jeweiligen Materialien und Beimischungen hergestellt. Alle kommerziellen Materialien wurden wie erhalten verwendet.
Beispiel 1 (Hochfaser): Eine Beimischung aus etwa 52 Gew.-% Silicium-Nanokristallen, etwa 7 Gew.-% leitfähigem Kohlenstoff, etwa 7 Gew.-% Nickel-Nitrat-Hexahydrat und etwa 33 Gew.-% Phenolharz in Ethanol wurde sprühgetrocknet, um Partikelmaterial in Mikrometergröße zu erhalten, das eine Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrixvorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer enthält. Das Partikelmaterial wurde dann unter einer Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei 1000 °C thermalisiert. Eine REM-Aufnahme des Produkts ist in 3 dargestellt.
Beispiel 2 (Mittelfaser): Eine Beimischung aus etwa 46 Gew.-% Silicium-Nanokristallen, etwa 2 Gew.-% leitfähigem Kohlenstoff, etwa 8,2 Gew.-% Nickelacetat-Tetrahydrat, etwa 12 Gew.-% Kupferacetat-Monohydrat, etwa 16 Gew.-% Phenolharz und etwa 15 Gew.-% Pech in einer Beimischung aus NMP und Ethanol wurde sprühgetrocknet, um Partikelmaterial in Mikrometergröße zu erhalten, das eine Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer enthält. Das Partikelmaterial wurde dann in einer thermalisierten Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei 1000 °C thermalisiert. Eine REM-Aufnahme des Produkts ist in 4 dargestellt.
Beispiel 3 (Mittelfaser-C): War identisch mit Beispiel 2, jedoch wurde das Partikelmaterial unter einer Argon/Wasserstoff-Atmosphäre auf 1000 °C erhitzt und dann 3 h lang unter einem Argon/Methan/Kohlendioxid-Strom auf Temperatur gehalten. Eine REM-Aufnahme des Produkts ist in 5 dargestellt.
Beispiel 4 (Niedrigfaser): Eine Beimischung aus etwa 50 Gew.-% Silicium-Nanokristallen, etwa 2 Gew.-% leitfähigem Kohlenstoff, etwa 8 Gew.-% Nickelacetat-Tetrahydrat, etwa 12 Gew.-% Kupferacetat-Monohydrat, etwa 16 Gew.-% Phenolharz und etwa 12 Gew.-% Pech in einer Beimischung aus NMP und Ethanol wurde sprühgetrocknet, um Partikelmaterial in Mikrometergröße zu erhalten, das eine Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer enthält. Das Partikelmaterial wurde dann in einer Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei 850 °C thermalisiert. Eine REM-Aufnahme des Produkts ist in 6 und eine erweiterte Ansicht des Produkts in 7 dargestellt.
Beispiel 5: Eine Beimischung aus etwa 56 Gew.-% Silicium-Nanokristallen, etwa 2 Gew.-% leitfähigem Kohlenstoff, etwa 5 Gew.-% Nickelacetat-Tetrahydrat, etwa 8 Gew.-% Kupferacetat-Monohydrat, etwa 17 Gew.-% Phenolharz und etwa 12 Gew.-% Pech in einer Beimischung aus NMP und Ethanol wurde sprühgetrocknet, um Partikelmaterial in Mikrometergröße zu erhalten, das eine Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer enthält. Das Partikelmaterial wurde dann in einer Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei 850 °C thermalisiert.
Beispiel 6: Eine Beimischung aus etwa 65 Gew.-% Silicium-Nanokristallen, etwa 2 Gew.-% leitfähigem Kohlenstoff, etwa 0,4 Gew.-% Nickelacetat-Tetrahydrat, etwa 0,6 Gew.-% Kupferacetat-Monohydrat, etwa 18 Gew.-% Phenolharz und etwa 14 Gew.-% Pech in einer Beimischung aus NMP und Ethanol wurde sprühgetrocknet, um Partikelmaterial in Mikrometergröße zu erhalten, das eine Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer und einem Katalysator oder Katalysatorvorläufer enthält. Das Partikelmaterial wurde dann in einer Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei 850 °C thermalisiert.
Vergleichsbeispiel (keine Faser): Eine Beimischung aus etwa 65 Gew.-% Silicium-Nanokristallen, etwa 2,5 Gew.-% leitfähigem Kohlenstoff, etwa 19 Gew.-% Phenolharz und etwa 14 Gew.-% Pech in einer Beimischung aus NMP und Ethanol wurde sprühgetrocknet, um Partikelmaterial in Mikrometergröße zu erhalten, das eine Beimischung aus einer Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen, einem Kohlenstoffmatrix-Vorläufer, enthält. Das Partikelmaterial wurde dann unter einer Argon/Wasserstoff-Atmosphäre bei 1000 °C thermalisiert. Eine REM-Aufnahme des Produkts ist in 8 dargestellt.
Elektrochemische Zellen
15%-Zellen wurden durch Mischen von 15 Gew.-% eines Partikelmaterials (z.B. Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiel) mit 70 Gew.-% Graphit, 5 Gew.-% leitfähigen Kohlenstoffs und 10 Gew.-% eines Bindemittels hergestellt. Die Halbzellen wurden nach Standardprotokoll zusammengebaut und getestet. Beispielergebnisse aus 15%-Zellen sind in 9 dargestellt.
Graphitfreie Zellen wurden durch Mischen von 70 Gew.-% eines Partikelmaterials (z.B. Beispiele 1 bis 6 und Vergleichsbeispiel) mit 15 Gew.-% leitfähigen Kohlenstoffs und 15 Gew.-% eines Bindemittels hergestellt. Die Halbzellen wurden nach Standardprotokoll zusammengebaut und getestet. Beispiele für Ergebnisse aus graphitfreien Zellen sind in 10 dargestellt. 11 zeigt die prozentuale theoretische spezifische Kapazität für die Produkte der Beispiele 4 bis 6 in graphitfreien Zellen im Vergleich zum Massenanteil in Prozent der in den Beispielen vorgesehenen Übergangsmetallsalze.
Während die Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung in Form bevorzugter Ausführungsformen beschrieben sind, wird es dem Fachmann offensichtlich sein, dass Abwandlungen auf die Zusammensetzungen und/oder Methoden in den Schritten oder in der Schrittfolge der hier beschriebenen Methode angewandt werden können, ohne vom Konzept, erfinderischen Gedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Genauer gesagt wird es offensichtlich sein, dass bestimmte chemisch und physikalisch verwandte Mittel die in dieser Schrift beschriebenen Mittel ersetzen können und doch die gleichen oder ähnliche Ergebnisse erzielt würden. Alle derartigen, dem Fachmann offensichtlichen ähnlichen Substitute und Modifikationen werden als innerhalb des erfinderischen Gedankens, des Schutzumfangs und des Konzepts der Erfindung liegend angesehen, wie diese in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Anode, umfassend: eine Mehrzahl von Partikeln mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 50 nm bis etwa 50 µm, und umfassend eine mit Siliciumcarbid verstärkte reduzierte Kohlenstoffmatrix, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.
Anode nach Anspruch 1, wobei die Anode eine spezifische Kapazität von etwa 1.000 bis etwa 3.500 mAh/g hat.
Anode nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Stromkollektor, der die Mehrzahl von Partikeln trägt.
Anode nach Anspruch 3, wobei der Stromkollektor eine Beimischung aus einem Bindemittel und der Mehrzahl von Partikeln trägt.
Anode nach Anspruch 4 wobei die Beimischung weiterhin einen Leiter enthält.
Anode, umfassend: eine Anodenzusammensetzung, die an einem Stromkollektor befestigt ist, wobei die Anodenzusammensetzung ein anodenaktives Material enthält, das in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert ist.
Anode nach Anspruch 6, wobei das anodenaktive Material eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix enthält, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt.
Anode nach Anspruch 7, wobei die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern enthält, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken.
Anode nach Anspruch 8, wobei das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel äußere SiC-Nanofasern enthält.
Anode nach Anspruch 6, wobei die Anode eine spezifische Kapazität von etwa 1.000 bis etwa 3.500 mAh/g hat.
Anode nach Anspruch 6, wobei die Anodenzusammensetzung weiterhin ein Leitmittel enthält.
Eine Lithiumbatterie, umfassend: eine Kathode, eine Anode und einen Separator, die in einem Batteriegehäuse eingeschlossen sind, mit einem Elektrolyten in ionischem Kontakt sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode, wobei die Anode eine Anodenzusammensetzung umfasst, die an einem Stromkollektor befestigt ist, die Anodenzusammensetzung eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix umfasst, die eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen trägt, die in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert sind, die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern enthält, wobei die inneren SiC-Nanofasern innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken, das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel ein Polymerbindemittel und die äußeren SiC-Nanofasern enthält.
Lithium-Ionen-Batterie, umfassend: eine Kathode, eine Anode, die aktive Partikel umfasst, die jeweils eine Kohlenstoffmatrix, SiC-Nanofasern und Nanokristalle enthalten, die mindestens eines von Silicium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn), Titan (Ti), Aluminium (AI) oder Magnesium (Mg) enthalten, wobei die Nanokristalle in eine Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, einen Elektrolyt, der die Anode und die Kathode ionisch koppelt, und einen Separator, der die Anode und die Kathode elektrisch trennt.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 13, wobei die Nanokristalle Silicium-Nanokristalle sind.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 14, wobei die Silicium-Nanokristalle aus Siliciummetall oder einer Siliciumlegierung bestehen.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 13, wobei die aktiven Partikel eine Mehrzahl von Silicium-Nanokristallen enthalten, die in eine SiC-verstärkte Kohlenstoffmatrix eingebettet sind.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 16, wobei die SiC-verstärkte Kohlenstoffmatrix ein Kohlenstoffbestandsmaterial, innere SiC-Nanofasern und äußere SiC-Nanofasern enthält, wobei die inneren SiC-Nanofasern in das Kohlenstoff bildende Material eingebettet sind und die äußeren SiC-Nanofasern sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken.
Lithium-Ionen-Batterie nach Anspruch 17, wobei die Anode weiterhin ein SiC-verstärktes Bindemittel enthält, das die äußeren SiC-Nanofasern einschließt.
Lithiumbatterie, umfassend: eine Kathode, eine Anode und einen Separator, die in einem Batteriegehäuse abgedichtet sind, mit einem Elektrolyten in ionischem Kontakt sowohl mit der Kathode als auch mit der Anode, wobei die Anode eine Anodenzusammensetzung enthält, die an einem Stromkollektor befestigt ist, die Anodenzusammensetzung Partikelmaterial enthält, das in einem mit Siliciumcarbid verstärkten Bindemittel dispergiert ist, wobei die Partikel jeweils Silicium-Nanokristalle aufweisen, die in eine mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, wobei die Partikel eine Zusammensetzung aufweisen, die etwa 1 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% Siliciummetall, etwa 1 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Siliciumcarbid und etwa 10 Gew.-% bis etwa 90 Gew.-% Kohlenstoff enthält, die mit Siliciumcarbid verstärkte Kohlenstoffmatrix SiC-Nanofasern enthält, die in ein Kohlenstoffbestandsmaterial eingebettet sind, wobei die eingebetteten SiC-Nanofasern innere SiC-Nanofasern sind und innerhalb des Kohlenstoffbestandsmaterials getragen werden, das Partikelmaterial weiterhin äußere SiC-Nanofasern aufweist, die sich von einer Oberfläche des Kohlenstoffbestandsmaterials erstrecken, das mit Siliciumcarbid verstärkte Bindemittel ein Polymerbindemittel und die äußeren SiC-Nanofasern enthält.