WO2013053679A2 - Verfahren zur herstellung einer kompositstruktur aus porösem kohlenstoff und elektrochemischem aktivmaterial - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer kompositstruktur aus porösem kohlenstoff und elektrochemischem aktivmaterial Download PDF

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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • porous carbon and electrochemical active material porous carbon and electrochemical active material
  • the present invention relates to a method for producing a composite structure of porous carbon and electrochemical active material.
  • the electrode materials should be inexpensive, non-toxic, non-explosive and easy to process.
  • alkaline secondary batteries especially lithium ion batteries.
  • Their functional principle 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 active material is formed from lithium or lithium compounds present in the cathode as an electron acceptor, for example as a composite of a lithium oxide compound in intimate contact with an electrically conductive material which simultaneously forms the electrode framework.
  • Suitable lithium oxide compounds are complex oxides of lithium and a transition metal, such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), its ternary mixtures with Ni and Mn or lithium iron phosphate (LiFePO 4 ).
  • Carbon is often used as the electrically conductive material.
  • a transition metal such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), its ternary mixtures with Ni and Mn or lithium iron phosphate (LiFePO 4 ).
  • Carbon is often used as the electrically conductive material.
  • EP 1 049 182 A2 describes a nanocomposite of LiFePO 4 and graphitized carbon which covers the surface of the LiFePO 4 nanoparticles as a thin graphite film.
  • a similar cathodic nanocomposite for lithium-ion batteries is known from Xing-Long Wu et al; "LiFePO 4 Nanoparticles Embedded in Nanocarbon Carbon Matrix.
  • lithium-containing active material serves as an electron donor and is usually held in a non-oxidized, metallic form.
  • a carbon matrix is used to take up the active material, which can take up and release lithium ions reversibly without the structural and electrical properties of the carbon matrix changing significantly.
  • germanium or tin are promising because they are in contrast to carbon for alloy formation with lithium in the situation and thereby theoretically allow a much higher lithium loading and thus a higher specific charge capacity.
  • anode materials show a considerable volume change in alloy formation with lithium, which can lead to disintegration of the electrode and a very rapid capacity loss within a few charging and discharging cycles.
  • nanocomposites of metal and carbon have been proposed for the formation of the anode, in which, for example tin nanoparticles embedded in hollow spheres made of carbon with extremely thin walls (Wei-Min Zhang et al.; "Tin nanoparticles encapsulated in Elastic Hollow Carbon Spheres for High-Performance Anode Material in Lithium-Ion Batteries "; Adv. Mater. 2008 (20), p. 1 160-1 165).
  • monodisperse SiO 2 particles with a diameter of 100 nm are used as the 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 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 the 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 de-alloying. Since the incorporation ability of lithium in tin by alloy formation is substantially higher than that in carbon, the higher the concentration of tin and the smaller the tin particles and the thinner the carbon layer, the higher the efficiency with these nanocomposites.
  • a porous SiO 2 template of agglomerated or aggregated SiO 2 nanoparticles is first produced 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 substance. After calcining, the SiO 2 template is removed by etching. A porous carbon product with a hierarchical pore structure is obtained.
  • the production of the carbon matrix provided with electrochemical active material requires either the production of monodisperse SiO 2 particles as a template, whereby the template material has to be etched away by the active material already deposited thereon. This can lead to a loss of active material.
  • a monolith formed beforehand by sol-gel method must be reproducibly finely ground.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method which provides a cost-effective production of a provided with electrochemical active material porous carbon product, which is particularly suitable for use as a cathode or anode material for a secondary battery.
  • the template preferably comprises a soot deposition process in which a feedstock is converted to template material particles by hydrolysis or pyrolysis and deposited on a deposition surface to form a soot body from the template material.
  • the soot body may be present as a monolith or layer. It is used as a whole or particles obtained therefrom by comminution as template material.
  • the soot separation process is a cost-effective process that allows the cost-effective production of templates on an industrial scale compared to the "sol-gel route" process, whereby a liquid or gaseous starting material is subjected to a chemical reaction (hydrolysis or hydrolysis)
  • the reaction zone is, for example, a burner flame or an arc (plasma)
  • plasma or CVD deposition methods which are known for example under the designations OVD, VAD or POD methods, are described in industrial scale made of synthetic quartz glass, tin oxide, titanium nitride and other synthetic materials.
  • Primary particles are formed in the reaction zone, which assemble to nanoparticles on their 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. Larger voids or pores are formed between the individual nanoparticles, which form a system of interconnected macropores in the body and in parts of it.
  • Some thermal consolidation of the soot body is desired and is achieved by partially sintering the soot body either during the deposition process, or alternatively or in addition to a separate heating process subsequent to the deposition process, to form a porous, contiguous template framework. in which spherical nanoparticles are aggregated into larger units or agglomerated and connected to one another via so-called "sintering necks".
  • such a porous templat is coated with soot structure with the active material or with its precursor, wherein the inner surfaces of the pores and cavities are coated with the active material, so that the predetermined in the template pore structure and particle distribution more or less is transferred to this coating.
  • the active material can therefore also form a three-dimensional network of coherent hollow spheres, so that electrical insulation and decontacting can be largely avoided, as will be explained in more detail below.
  • the infiltration of the template pores with the carbon precursor substance occurs by known techniques such as dipping, pumping, and panning using solutions of the precursor substance. However, solvent-free infiltration routes are particularly suitable by direct infiltration of the template pores with a molten carbon precursor substance. In all cases, a single infiltration process can suffice.
  • the above process steps (b) and (c) can be carried out in one operation by infiltrating the active material in a mixture with the carbon precursor substance into the pores of the template.
  • the carbonization of the carbon precursor substance according to process step (d) takes place at high temperature up to 3000 ° C - but preferably at a significantly lower temperature below 1000 ° C - under a gas that is as oxygen-free as possible or under vacuum.
  • the minimum temperature of 500 ° C for carbonation is determined by the decomposition temperature of the graphitizable precursor substance.
  • the removal of the inorganic template material is preferably carried out by chemical dissolution, wherein in the case of a SiO 2 template as a solvent in particular acids (such as hydrofluoric acid) or bases (such as sodium hydroxide) are mentioned.
  • the template thus serves only as a mechanically and thermally stable framework for depositing the active material and the carbon precursor substance.
  • the template in the method according to the invention is a soot structure with netlike interconnected nanoparticles.
  • the etching away of the template material by advancing the etchant within the soot structure itself can be done without the active material must be previously penetrated by the etchant. This has several advantages.
  • the thickness of the active material layer does not constitute an obstacle to the etching away of the template.
  • the layer thickness of the active material can be optimized with respect to the intended use of the composite product and - as desired for reasons of capacity - be as thick as possible.
  • process steps (d) and (e) does not signify a sequential order in the alphabetical series.
  • the removal of the template according to process step (e) is either downstream of the carbonation of the precursor substance according to process step (d) or upstream.
  • the process product is in any case the composite structure of carbon loaded with active material or a precursor thereof.
  • the porous composite structure resulting after carbonation and removal of the template is composed of the active material and an outer layer of carbon.
  • the active material may also be present as a layer and optionally forms an inner layer connected to the carbon layer.
  • the volume previously occupied by spherical nanoparticles and their aggregates / agglomerates forms cavities which are connected to one another via now open sintered necks.
  • the active material is present as a layer or in a different morphology.
  • the active material in the form of a layer encloses partially open cavities connected by the former sintering necks and formerly occupied by the nanoparticles of active material cavities are in the range of mesopores, which typically have a pore size in the range of 2 to 50 nm, and more, and the active material cavities are three-dimensionally cross-linked via channels (former sintering necks).
  • cavities outside the active material cavities arise from the interstices of the former nanoparticles, and they are more or less filled in the composite structure by the layers of carbon and the active material. These cavities are also interconnected, but extend over longer distances to form a system of interconnected macropores.
  • This inner pore structure with oligomodal pore size distribution is characteristic for a "hierarchical porosity" the porous composite structure, which is ultimately due to the Sootabscheidepenses, by means of which anisotropic mass distribution is created with hierarchical pore structure.
  • the active material cavities are partially open and interconnected, which ensures accessibility for lithium or the storage of additional active material, but still they are suitable, such as released during the discharge process components of the To withhold active material. Because the active material cavities are connected to one another like a framework, they are freely accessible to the active material and in particular to lithium, so that the same electrochemical potential is established everywhere during the charging or discharging process. In contrast, in the case of the closed hollow spheres known from the prior art, mutual electrical contacting must be laboriously ensured.
  • a cost-effective composite product of porous carbon with high porosity and relatively high electrical conductivity is obtained in direct connection with an active material for electrochemical energy production.
  • the active material cavities with sizes in the nanometer range contained in the composite product are suitable further Substances - especially lithium - to fix and include, so that the composite product is particularly suitable for use as electrode material for lithium alloys.
  • the coating of the template framework according to process step (b) takes place by introduction of the precursor in a liquid phase.
  • the active material or its precursor is dispersed in a liquid or is present as a liquid or in dissolved form.
  • the active material preferably contains Sn, SnO 2 being used as precursor.
  • a coating with SnO 2 can be carried out, for example, via a solution of Na 2 SnO 3 in urea as a liquid solvent.
  • a procedure has proven useful in which the active material or the precursor thereof in the form of nanoparticles, which are introduced in a dispersion with the precursor substance during infiltration according to process step (c) in the pores of the template.
  • the nanoparticles preferably contain LiFePO 4 .
  • the coating according to process step (b) takes place by deposition of the precursor from the gas phase.
  • the prerequisite for this is a precursor for the active material, which can be converted into the gas phase in a technologically acceptable temperature range.
  • a suitable example of this is an active material which contains silicon, SiH 4 being used as the precursor which decomposes at elevated temperature.
  • a precursor substance for non-graphitizable carbon is used, in particular water soluble carbohydrate, preferably sucrose.
  • Water-soluble carbohydrates are available as inexpensive bulk chemicals. The solutions of carbohydrates are characterized by a low viscosity, so that even narrow pore channels can be easily completely and uniformly infiltrated.
  • a layer of non-graphitic and non-graphitizable porous carbon is obtained therefrom on the surfaces of the template, which is also referred to in the literature as "turbostratic” carbon "or” hard carbon ". referred to as.
  • turbo-streaky (non-graphitizable) carbon in comparison to graphite, exhibits a comparatively high microporosity, which can bind large amounts of electrolyte or active material, which are thus removed from the electrochemical process.
  • a precursor substance for graphitizable carbon in particular pitch.
  • Pitch especially "mesophase pitch" is a carbonaceous material that can relatively easily form a graphite-like structure with low microporosity.
  • the infiltrated pitch melt after carbonization, forms a graphite-like layered structure that may contain turbostratic portions but is more ordered and graphite-like as the turbostratic, highly porous carbon obtained from the non-graphitizable precursor and which in particular has a low microporosity and thus also a lower specific surface area and a comparatively high electrical conductivity
  • the graphitizable precursor substance undergoes a noticeable rearrangement of graphene layers in the direction of carbonization a graphite structure and is also referred to in the literature as "soft carbon".
  • the carbon layer after carbonization has a low microporosity, which is characterized by the fact that micropores with a pore diameter of less than 2 nm make up less than 10% of their total pore volume. Micropores are characterized by a pore diameter of 2 nm and less.
  • the carbon layer after carbonization has an average layer thickness of at least 2 nm.
  • the graphite-like deposition of carbon forms the outer layer of the composite layer. It is connected to the active material either directly or indirectly via an intermediate layer.
  • An interlayer has been found to be particularly useful in those cases where the graphite-like carbon layer does not or poorly adheres to the active material.
  • the infiltration according to method step (c) comprises a first infiltration stage and a second infiltration stage, wherein in the first infiltration stage a precursor substance for non-graphitizable carbon, and in the second infiltration stage the precursor substance for the graphitizable carbon is used.
  • the non-graphitizable carbon precursor forms a layer of microporous carbon.
  • This layer is in direct contact with the active material, with the turbostratic structure of the microporous carbon contributing to better adhesion of the active material.
  • a small thickness of the layer of microporous carbon is sufficient.
  • at least 50%, preferably at least 70% of the pore volume of the pores of the template are filled with the electrochemical active material or the precursor for the active material.
  • the largest part of the template pore volume is covered with the active material, so that this approximately represents a negative impression of the original template nanoparticles. This results in a particularly charging capacity of the electrode produced therefrom.
  • spherical, interconnected nanoparticles are preferably produced.
  • Former spherical nanoparticles provide, after removal of the template material at low surface area, a large internal volume for uptake of the active material and lithium.
  • the composite structure is preferably produced in the form of porous, non-spherical carbon flakes.
  • the composite structure is obtained in the process of the invention as a monolith or with platelet or flake-like morphology. In any case, it can easily be broken up into smaller particles, which, for example, are further processed into shaped bodies or layers by means of customary pastes or slip processes.
  • the further processing of the composite structure to form an electrode, for example for a lithium battery, takes place using the methods known from the prior art.
  • the flakes or platelets adjacent to one another with their flat sides allow optimum electrical contacting and, at the same time, optimum infiltration with lithium owing to the large surface area to volume ratio.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for the production of SiO 2 granulate particles, which is described as
  • the apparatus shown in FIG. 1 is used to produce porous granular particles of SiO 2 , which are used as hard templates in the process according to the invention.
  • the device comprises a rotatable around its axis of rotation 2 drum 1, which consists of a base body made of stainless steel, which is a thin Layer of silicon carbide is occupied.
  • the Tronnnnel 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 a SiO 2 - porous soot plate 5a.
  • Flammhydrolysebrenner 4 are used, four of which are arranged in a common row of burners 3 in the direction of the drum longitudinal axis 2 in a row.
  • 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 used as fuel gases oxygen and
  • SiO 2 particles 10 hydrogen and octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS) fed 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
  • 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 supported by a tubular infrared radiator 14, which within the as
  • 25 hollow drum formed drum 1 is arranged in the lower left quadrant, and heated the lateral surface of the drum 1 shortly after the application of the soot layer 5 from the inside.
  • the thus obtained porous, slightly presintered soot plate 5a has an average specific gravity of about 22% (based on the density of quartz glass at 2.21 g / m 3 ).
  • 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.
  • the soot plate 5a passing through the gap is divided by the longitudinal profiles of the rollers 10, 10a into roughly equal sized fragments (granulate particles 13) which are collected in a collecting container 11.
  • 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 granules 13 obtained by the process 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. As a result of the breaking process described, the granulate particles 13 are also approximately the same size, so that a narrow particle size distribution is established.
  • the structure ratio "A”, ie the ratio of maximum structure width (a or b) and thickness (c) of the granules 13 is about 10 in the exemplary embodiment.
  • the granulate particles 13 thus produced serve as templates for the production of porous carbon flakes, as shown schematically in FIGS. 2 to 6 and explained in more detail below with reference to these figures.
  • example 1
  • the non-spherical, platelet-shaped granules 13 are composed microscopically of a plurality of more or less spherical agglomerates of SiO 2 nanoparticles together. Such a nanoparticle agglomerate 13 is shown schematically in FIG.
  • the granules 13 are introduced into a solution of urea and Na 2 SnO 3 . After evaporation of the solvent remains on the inner and outer surfaces of the granules, a film 14 of SnO 2 with an average thickness around 50 nm, the Figure 3 shows schematically and which serves as electrochemical active material in the context of the invention.
  • the thus coated granules are mixed homogeneously with finely ground pitch powder in a weight ratio of 1: 4 (pitch: granules) and the particle mixture is heated to a temperature of 300 ° C.
  • the low-viscosity pitch envelops the small SiO 2 granules 13 and penetrates into the pores and infiltrates them.
  • the weight ratio of pitch and granule particles is chosen so that the pitch fills the pores so far that after an infiltration time of 30 minutes, hardly any appreciable free pore volume remains.
  • FIG. 4 schematically shows the composite of granule particles 13 thus obtained, enveloped by a SnO 2 layer 14 and a pitch layer 15.
  • the quartz glass of the granule particles 13 is then removed by placing the particles in a bath of 2 molar NaOH solution. Since the granule particles 13 consist of netlike nanoparticles, the NaOH solution can penetrate within the network structure until the entire template material is removed.
  • FIG. 5 schematically shows the layer composite 16 made of the SnO 2 layer 14 and the pitch layer 15 obtained after etching away the SiO 2 granulate particles.
  • the layer composite 16 is approximately a negative image of the mass distribution. division of the original SiO 2 granulate particles 13.
  • the layers 14; 15 surround a cavity 17.
  • the composite structure is heated in nitrogen to a temperature of 700 ° C and the pitch thereby reduced to carbon (carbonized).
  • This also leads to a reduction of SnO 2 to tin, wherein the metal can also be liquefied for a short time and contracts to fine droplets 20 within the cavity 17.
  • the composite structure 18 thus obtained consists of a graphite-like carbon layer 19, which forms the inner wall of an active material cavity 17, with fine particles 20 of tin adhering to the carbon layer 19.
  • the carbon layer 19 has a low porosity and is on average about 50 nm thick.
  • the composite structure 18 extends in all spatial directions and forms a carbon article loaded with active material 20, which has a hierarchical pore structure. It is important that the cavity 17 is not completely closed, but is fluidly connected to other meso and macropores, so that the tin particles 20 are accessible to further chemical treatment, and introduced into the cavity 17 more electrochemically active substances and in particular lithium can be.
  • the resulting composite structure is further comminuted as needed.
  • Carbon flocks loaded with active material are obtained in which a finely fissured 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.
  • they are infiltrated in a known manner with lithium, which in the process completely or partially fills the cavities 17 previously filled with template particles 13.
  • the released and released substances remain physically bound, preventing them from becoming evenly distributed in the electrolyte, thereby preventing the electrochemical reaction. tion are no longer available, and it is prevented that the individual particles electrically demindieren.
  • the coating of the pores of the granules 13 takes place by deposition of SiH 4 from the gas phase.
  • SiH 4 decomposes as a result of elevated temperature, so that forms an approximately 20 nm thick silicon layer on the accessible surfaces of the granules 13.
  • Silicon forms the electrochemical active material in the sense of the invention.
  • the thus coated granules are infiltrated with liquid pitch and thus provided with a layer of pitch as described in Example 1.
  • the thus obtained composite of granule particles, enveloped by a silicon layer and a pitch layer, is subsequently heated to a temperature of 700 ° C. and the pitch is thereby reduced to carbon.
  • the quartz glass of the granules is then removed by placing the particles in a hydrofluoric acid bath.
  • the hydrofluoric acid can penetrate within the network structure of the granule particles, so that the entire template material is removed within a few minutes. Since silicon has a much lower etching rate in hydrofluoric acid than the SiO 2 of the granule particles, the silicon layer is not appreciably reduced in this etching process.
  • the layer composite of silicon layer and carbon layer 1 obtained after etching away the SiO 2 granulate particles is approximately a negative image of the mass distribution of the original SiO 2 granulate particles.
  • the layers surround an active material cavity.
  • the composite structure extends in all spatial directions and forms an active material coated carbon product with a hierarchical pore structure.
  • the cavities are not completely closed, but fluidly connected to other meso- and macropores, so that the silicon layer is accessible to further chemical treatment and in particular can be alloyed with lithium. If necessary, the composite structure thus obtained is further comminuted and further processed to anode material for a secondary battery, as explained above with reference to Example 1.
  • Example 3 In a modification of the procedure of Example 2, after coating the granule particles with the active material in the form of silicon, a two-stage infiltration process of the pores with carbon is provided.
  • the coated granules are first introduced into a dipping bath of an aqueous, saturated solution of cane sugar.
  • the impregnated material is then dried. This impregnation and drying process is repeated once.
  • a dried cane sugar layer is formed. This is carbonized by heating in nitrogen at 700 ° C to a film of about 3 nm thickness of turbo-static carbon which exhibits some microporosity and, due to its turbostratic structure, good adhesion to the silicon layer.
  • nanoparticles of this compound are homogeneously mixed into liquid pitch.
  • the pitch charged with the active material is milled to a particle size of about 15 ⁇ m and mixed with SiO 2 granulate particles.
  • the particle mixture is heated to a temperature of 300 ° C., so that the mixture of low-viscosity pitch and the active material penetrates into the pores of the SiO 2 granulate particles, so that a coating with pitch and active material particles incorporated therein is retained. will be.
  • the average size of the nanoparticles is about the same size as the thickness of the pitch layer.
  • the coated granule particles thus obtained are heated to a temperature of 700 ° C under a nitrogen atmosphere and the pitch is carbonized to graphite-like low microporosity carbon such that micropores having a pore diameter of less than 2 nm account for less than 6% of the total pore volume of the carbon layer turn off.
  • the LiFePO 4 particles embedded in the coating are largely retained despite the reducing effect of the carbon.
  • the porous composite structure produced in this way is distinguished by the fact that particles of the active material LiFePO 4 are embedded in the graphite-like carbon layer and abut or project beyond the surface of the carbon layer.
  • the active material particles thus embedded are thus readily accessible on the one hand via pores of the composite structure for the electrolyte of a secondary battery and, on the other hand, they are reproducibly electrically contacted via the graphite-like, low-porous carbon layer.

Abstract

Um ein kostengünstiges Erzeugnis aus einem mit elektrochemischem Aktivmaterial versehenen porösen Kohlenstoff bereitzustellen, das insbesondere für einen Einsatz als Kathoden- oder Anodenmaterial für eine Sekundärbatterie geeignet ist, wird ein Verfahren vorgeschlagen, das folgende Verfahrensschritte umfasst: (a) Erzeugen eines Templats aus anorganischem Werkstoff durch Gasphasenabscheidung, das ein Gerüst miteinander verbundener Nanoteilchen und Poren enthält, (b) Beschichten des Templat-Gerüsts mit einem elektrochemischen Aktivmaterial oder einer Vorstufe desselben, (c) Infiltrieren der Poren des Templats mit einer Vorläufersubstanz für Kohlenstoff, (d) Carbonisieren der Vorläufersubstanz unter Bildung einer Kohlenstoffschicht, (f) Entfernen des Templats.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Kompositstruktur aus
porösem Kohlenstoff und elektrochemischem Aktivmaterial
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Komposit - struktur aus porösem Kohlenstoff und elektrochemischem Aktivmaterial.
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. Insbesondere für kommerzielle Anwendungen sollen die Elektrodenmaterialien preiswert, nicht to- xisch, nicht explosiv und leicht zu verarbeiten sein.
Stand der Technik
Weit verbreitet sind Alkali-Sekundärbatterien, insbesondere Lithiumionen- Batterien. Deren Funktionsprinzip beruht auf dem Einlagern und Auslagern (Inter- kalation und Deinterkalation) von Alkali-Ionen in die positive Elektrode (Kathode), die dabei an einen Elektrolyten angrenzt, der die Bewegung der Alkalionen zu- lässt. Bei Lithiumionen-Batterien wird das elektrochemische Aktivmaterial 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.
Geeignete oxidische Lithiumverbindungen sind komplexe Oxide von Lithium und einem Übergangsmetall, wie etwa Lithiumcobaltoxid (LiCoO2), dessen ternäre Mischungen mit Ni und Mn oder Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Als elektrisch leitender Werkstoff wird häufig Kohlenstoff eingesetzt. So wird beispielsweise in der EP 1 049 182 A2 ein Nanoverbundwerkstoff aus LiFePO4 und graphitisiertem Kohlenstoff beschrieben, der die Oberfläche der LiFePO4-Nano- teilchen als dünner Graphitfilm überzieht. Ein ähnlicher kathodischer Nanoverbundwerkstoff für Lithiumionen-Batterien ist bekannt aus Xing-Long Wu et al;„LiFePO4 Nanoparticles Embedded in an Nano- porous Carbon Matrix. Superior Cathode Material for Electrochemical Energy- Storage Devices"; Adv. Mater. 2009 (21 ), S. 2710-2714. Dabei sind Nanoteilchen aus LiFePO4 mit einer mittleren Teilchengröße von 70 nm in einer nanoporösen Kohlenstoffmatrix mit Mesoporen im Bereich von 3,8 bis 10 nm, dispergiert. Die Herstellung der nanoporösen Kohlenstoffmatrix erfolgt mittels Sol-Gel-Verfahren unter Einsatz polymerisierbarer Ausgangssubstanzen und anschließendem Feinvermahlen des getrockneten und verfestigten Gels und Vermischen mit den Nanoteilchen des Aktivmaterials. Der so erhaltene Nanoverbundwerkstoff besteht zu 74 Gew.-% aus LiFePO4 und 26 Gew.-% porösem Kohlenstoff.
In der Anode (negative Elektrode) dient lithiumhaltiges Aktivmaterial als Elektronendonator und wird in der Regel nicht oxidierter, metallischer Form vorgehalten. Auch hier ist zur Aufnahme des Aktivmaterials eine Kohlenstoffmatrix im Einsatz, die Lithiumionen reversibel aufnehmen und abgeben können, ohne dass sich die strukturelle und elektrische Eigenschaft der Kohlenstoffmatrix wesentlich verändert.
Anstelle einer Kohlenstoffmatrix sind auch Anoden-Werkstoffe aus Silizium, Germanium oder Zinn viel versprechend, da diese im Gegensatz zu Kohlenstoff zur Legierungsbildung mit Lithium in der Lage sind und dadurch theoretisch eine deutlich höhere Lithiumbeladung und damit eine höhere spezifische Ladekapazität ermöglichen.
Allerdings zeigen derartige Anoden-Werkstoffe eine beachtliche Volumenänderung bei der Legierungsbildung mit Lithium, die innerhalb weniger Auflade- und Entladezyklen zu einem Zerfall der Elektrode und einem sehr raschen Kapazitäts- verlust führen kann. Um dem entgegenzuwirken, sind zur Ausbildung der Anode Nanoverbundwerk- stoffe aus Metall und Kohlenstoff vorgeschlagen worden, bei denen beispielsweise Zinn-Nanopartikel in Hohlsphären aus Kohlenstoff mit extrem dünner Wandung eingelagert sind (Wei-Min Zhang et al.;„Tin-Nanoparticles Encapsulated in Elas- tic 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 Kohlen- Stoffs 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 Entlegieren. Da die Einlagerungsfähigkeit von Lithium in Zinn durch Legierungsbildung wesentlich höher ist als die in Kohlenstoff ergibt sich bei diesen Nano-Verbundwerk- stoffen eine umso höhere Effizienz, je höher die Konzentration an Zinn ist und je kleiner die Zinnpartikel sind und je dünner die Kohlenstoffschicht ist.
Ein anderes Templat-Verfahren zur Herstellung eines porösen Kohlenstoffer- Zeugnisses für Elektroden von Sekundärbatterien ist in jüngster Zeit ist aus der DE 10 2010 005 954 A1 bekannt geworden. Dabei wird durch Hydrolyse oder Pyrolyse einer siliziumhaltigen Ausgangsverbindung mittels eines Sootabschei- deprozesses zunächst ein poröses SiO2-Templat aus agglomerierten oder aggregierten SiO2-Nanopartikeln erzeugt. Die Poren werden mit einer Kohlenstoff- Vorläufersubstanz infiltriert. Nach dem Kalzinieren wird das SiO2-Templat durch Ätzen entfernt. Es wird ein poröses Kohlenstofferzeugnis mit hierarchischer Porenstruktur erhalten.
Technische Aufgabenstellung
Bei den eingangs erläuterten Nanostrukturwerkstoffen ist zur Herstellung der mit elektrochemischem Aktivmaterial versehenen Kohlenstoffmatrix entweder die Erzeugung monodisperser SiO2-Partikel als Templat erforderlich, wobei das Tem- platmaterial durch das bereits darauf abgeschiedene Aktivmaterial hindurch weggeätzt werden muss. Dies kann zu einem Verlust an Aktivmaterial führen. Alternativ muss ein vorab durch Sol-Gel-Verfahren gebildeter Monolith reproduzierbar fein vermählen werden.
Diese Prozesse sind aufwendig, insbesondere wenn an die Reproduzierbarkeit der erzielten Eigenschaften des Elektrodenmaterials hohe Anforderungen gestellt werden. Das zuletzt erläuterte Sootabscheideverfahren zur Templat-Herstellung ermöglicht demgegenüber eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung von Kohlenstofferzeugnissen mit reproduzierbaren Porengrößen und Porengrößen- verteilungen. Insoweit wäre es wünschenswert, diese Verfahrensweise bei der Herstellung von mit elektrochemischem Aktivmaterial versehenem porösen Kohlenstoffs heran ziehen zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine kostengünstige Herstellung eines mit elektrochemischem Aktivmaterial versehenen porösen Kohlenstoff-Erzeugnisses bereitzustellen, das insbesondere für einen Einsatz als Kathoden- oder Anodenmaterial für eine Sekundärbatterie geeignet ist. Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das folgende Verfahrensschritte umfasst:
(a) Bereitstellen von Templat-Partikeln aus anorganischem Templatmaterial, die jeweils ein Poren enthaltendes Templat-Gerüst miteinander verbundener Nano- teilchen bilden,
(b) Beschichten des Templat-Gerüsts mit einem elektrochemischen Aktivmaterial oder einer Vorstufe desselben,
(c) Infiltrieren der Poren mit einer Vorläufersubstanz für Kohlenstoff, (d) Carbonisieren der Vorläufersubstanz unter Bildung einer Kohlenstoffschicht, (e) Entfernen des Templatmaterials.
Das Erzeugen des Templats umfasst bevorzugt einen Sootabscheideprozess, 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. Der Sootkörper kann als Monolith oder Schicht vorliegen. Er wird als Ganzes oder daraus durch Zerkleinern erhaltene Teilchen werden als Templatmaterial eingesetzt.
Beim Sootabscheideprozess handelt es sich im Vergleich zu dem Herstellungsverfahren über die„Sol-Gel-Route" um ein preiswertes Verfahren, das eine kos- tengünstige Herstellung von Templaten im industriellen Maßstab ermöglicht. Dabei wird eine flüssige oder gasförmige Ausgangssubstanz einer chemischen Reaktion (Hydrolyse oder Pyrolyse) unterzogen und 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- oder POD-Verfahren bekannt sind, werden im industriellen Maßstab synthetisches Quarzglas, Zinnoxid, Titannitrid und andere synthetische Werkstoffe hergestellt. In der Reaktionszone entstehen 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 Sootkorper und in Teilstücken desselben ein System miteinander verbundener Makroporen bilden. Eine gewisse thermische Ver- festigung des Sootkörpers ist erwünscht und wird erreicht, indem der Sootkorper entweder beim Abscheideprozess oder alternativ dazu oder ergänzend 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 ag- glomeriert und über sogenannte„Sinterhälse" miteinander verbunden sind.
Für die Herstellung des Kompositerzeugnisses wird ein derartiges poröses Temp- lat mit Sootstruktur mit dem Aktivmaterial oder mit dessen Vorstufe beschichtet, wobei die inneren Oberflächen der Poren und Hohlräume mit dem Aktivmaterial belegt werden, so dass die im Templat vorgegebene Porenstruktur und Teilchen- Verteilung mehr oder weniger auf diese Beschichtung überführt wird. Das Aktivmaterial kann daher ebenfalls ein dreidimensionales Netzwerk aus zusammenhängenden Hohlkugeln bilden, so dass elektrische Isolierungen und Dekontaktie- rungen weitgehend vermieden werden können, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Das Infiltrieren der Templat-Poren mit der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz geschieht anhand bekannter Techniken, wie Tauchen, Pumpen und Schwenken unter Einsatz von Lösungen der Vorläufersubstanz. Besonders geeignet sind jedoch lösungsmittelfreie Infiltrationsrouten durch direkte Infiltration der Templat-Poren mit einer schmelzflüssigen Kohlenstoff-Vorläufersubstanz. In allen Fällen kann ein einziger Infiltrationsvorgang genügen kann. Die obigen Verfahrensschritte (b) und (c) können in einem Arbeitsgang ausgeführt werden, indem das Aktivmaterial in einer Mischung mit der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz in die Poren des Templats infiltriert wird.
Das Carbonisieren der Kohlenstoff-Vorläufersubstanz gemäß Verfahrensschritt (d) erfolgt bei hoher Temperatur bis zu 3000 °C - vorzugsweise aber bei einer deutlich geringeren Temperatur unter 1000 °C - unter einem möglichst sauerstofffreien Gas oder unter Vakuum. Die Mindesttemperatur von 500 °C für das Carbonisieren bestimmt sich aufgrund der Zersetzungstemperatur der graphitisierbaren Vorläufersubstanz. Das Entfernen des anorganischen Templatmaterials erfolgt vorzugsweise durch chemische Auflösung, wobei im Fall eines SiO2-Templats als Lösungsmittel insbesondere Säuren (wie Flusssäure) oder Basen (wie Natriumhydroxyd) zu nennen sind. Das Templat somit dient lediglich als mechanisch und thermisch stabiles Gerüst zum Ablagern des Aktivmaterials und der Kohlenstoff- Vorläufersubstanz.
Im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Verfahren, bei dem das Templat als sphärische Partikel mit einer geschlossenen Umhüllung aus dem Aktivmaterial vorliegt, ist das Templat beim erfindungsgemäßen Verfahren eine Sootstruktur mit netzartig miteinander verbundenen Nanopartikeln. Hierbei kann das Wegätzen des Templatmaterials durch Vordringen des Ätzmittels innerhalb der Sootstruktur selbst geschehen, ohne dass das Aktivmaterial vorab von dem Ätzmittel durchdrungen werden muss. Dies hat mehrere Vorteile.
1 . Die Dicke der Aktivmaterial-Schicht stellt kein Hindernis für das Wegätzen des Templats dar. Insoweit kann die Schichtdicke des Aktivmaterials in Bezug auf den Einsatzzweck des Kompositerzeugnisses optimiert und - wie aus Kapazitätsgründen erwünscht - möglichst dick sein.
2. Da das Ätzmittel die Aktivmaterial-Schicht nicht durchdringen muss, kann der ansonsten zwangsläufig auftretende Verlust an Aktivmaterial beim Wegätzen des Templats vermieden oder vermindert werden. Die Benennung der Verfahrensschritte (d) und (e) bezeichnet keine sequentielle Abfolge in der alphabetischen Reihe. Das Entfernen des Templats gemäß Verfahrensschritt (e) ist dem Carbonisieren der Vorläufersubstanz gemäß Verfahrensschritt (d) entweder nachgeschaltet oder vorgeschaltet. Das Verfahrensprodukt ist in jedem Fall die Kompositstruktur aus Kohlenstoff, die mit Aktivmaterial oder einer Vorstufe desselben beladen ist.
Die nach dem Carbonisieren und Entfernen des Templats resultierende poröse Kompositstruktur setzt sich aus dem Aktivmaterial und einer Außenschicht aus Kohlenstoff zusammen. Das Aktivmaterial kann ebenfalls als Schicht vorliegen und bildet gegebenenfalls eine mit der Kohlenstoffschicht verbundenen Innenschicht.
Durch das Entfernen des Templatmaterials bildet das Volumen, das vorher von sphärischen Nanoteilchen und deren Aggregaten/Agglomeraten belegt war Kavi- täten, die über nun geöffnete Sinterhälse miteinander verbunden sind. Innerhalb dieser Kavitäten liegt das Aktivmaterial als Schicht oder in anderer Morphologie vor. Die das Aktivmaterial umschließende Kavität wird im Folgenden auch als„Ak- tivmaterialkavität" bezeichnet. Das Aktivmaterial in Schichtform umschließt somit teilweise offene, über die ehemaligen Sinterhälse miteinander verbundene örtlich begrenzte Kavitäten, die ehemals von den Nanoteilchen besetzt waren. Die mittle- ren Größen der von Aktivmaterialkavitäten liegen im Bereich von Mesoporen, die typischerweise eine Porengröße im Bereich von 2 bis 50 nm haben, und darüber. Die Aktivmaterialkavitäten sind über Kanäle (ehemalige Sinterhälse) dreidimensional miteinander vernetzt.
Auch außerhalb der Aktivmaterialkavitäten befinden sich Hohlräume. Diese erge- ben sich aus den Zwischenräumen der ehemaligen Nanoteilchen, und sie sind in der Kompositstruktur von den Schichten aus Kohlenstoff und dem Aktivmaterial mehr oder weniger aufgefüllt. Diese Hohlräume sind ebenfalls miteinander verbunden, erstrecken sie sich aber über längere Strecken und bilden ein System miteinander verbundener Makroporen. Diese innere Porenstruktur mit oligomoda- ler Porengrößenverteilung ist charakteristisch für eine„hierarchische Porosität" der porösen Kompositstruktur, die letztlich auf den Sootabscheideprozesses zurückzuführen ist, mittels dem eine anisotrope Masseverteilung mit hierarchischer Porenstruktur erzeugt wird.
In den Aktivmaterialkavitäten können Substanzen, die geeignet oder dazu vorge- sehen sind, mit dem bereits vorhandenen Aktivmaterial oder mit dessen Vorläufersubstanz zu reagieren oder zu legieren, aufgenommen und fixiert werden. Wegen des freien Porenvolumens innerhalb der Kavitaten führt eine zusätzliche Aufnahme derartiger Substanzen - insbesondere von Lithium - nicht zu einer Volumenzunahme. Gleichermaßen können Substanzen, wie etwa Lithium-Ionen aus dem Aktivmaterial und den Kavitäten abgegeben werden, ohne dass dies am Volumen der Kavitäten etwas verändert. Dadurch sind in dem durch das Porenvolumen der Kavitäten vorgegebenen Umfang Einlagerungen und Auslagerungen von Aktivmaterial möglich, ohne dass es zu nennenswerten mechanischen Spannungen kommt. Im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten, rundum geschlossen Hohlsphären sind die Aktivmaterialkavitäten zwar teilweise offen und miteinander verbunden, was die Zugänglichkeit für Lithium oder das Einlagern von zusätzlichem Aktivmaterial gewährleistet, aber dennoch sind sie auch geeignet, etwa beim Entladungsvorgang freigesetzte Bestandteile des Aktivmaterials zu- rückzuhalten. Dadurch, dass die Aktivmaterialkavitäten gerüstartig miteinander verbunden sind, sind sie für das Aktivmaterial und insbesondere für Lithium frei zugänglich, so dass sich beim Auflade- oder Entladeprozess überall das gleiche elektrochemische Potential einstellt. Im Gegensatz dazu muss bei den aus dem Stand der Technik bekannten geschlossenen Hohlsphären eine gegenseitige elektrische Kontaktierung aufwändig gewährleistet werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein kostengünstiges Kompositerzeugnis aus porösem Kohlenstoff mit hoher Porosität und relativ hoher elektrischer Leitfähigkeit in direkter Verbindung mit einem Aktivmaterial für elektrochemische Energiegewinnung erhalten. Die in dem Kompositerzeugnis enthaltenen Aktivmaterialkavitäten mit Größen im Nanometerbereich sind geeignet weitere Substanzen - insbesondere Lithium - zu fixieren und einzuschließen, so dass das Kompositerzeugnis insbesondere für einen Einsatz als Elektrodenmaterial für Lithiumlegierungen geeignet ist.
Zur Herstellung der Beschichtung aus dem Aktivmaterial oder dessen Vorstufe auf den Oberflächen der Templat-Poren sind mehrere Verfahrensvarianten geeignet.
Bei einer ersten besonders kostengünstigen Verfahrensweise ist vorgesehen, dass das Beschichten des Templat-Gerüsts gemäß Verfahrensschritt (b) durch Eintrag der Vorstufe in einer flüssigen Phase erfolgt. Das Aktivmaterial beziehungsweise seine Vorstufe ist dabei in einer Flüssigkeit dispergiert oder liegt als Flüssigkeit oder in gelöster Form vor.
Dabei enthält das Aktivmaterial vorzugsweise Sn wobei als Vorstufe SnO2 eingesetzt wird. Eine Beschichtung mit SnO2 kann beispielsweise über eine Lösung von Na2SnO3 in Harnstoff als flüssigem Lösungsmittel erfolgen. Alternativ dazu hat sich auch eine Verfahrensweise bewährt, bei der das Aktivmaterial oder die Vorstufe desselben in Form von Nanopartikeln vorliegt, die in einer Dispersion mit der Vorläufersubstanz beim Infiltrieren gemäß Verfahrensschritt (c) in die Poren des Templats eingebracht werden. Hierbei enthalten die Nanopartikel vorzugsweise LiFePO4. Bei einer zweiten, im Hinblick auf eine besonders gleich- mäßige und vollständige Oberflächenbelegung bevorzugten Verfahrensweise erfolgt das Beschichten gemäß Verfahrensschritt (b) durch Abscheidung der Vorstufe aus der Gasphase.
Voraussetzung hierfür ist eine Vorstufe für das Aktivmaterial, die in einem technologisch akzeptablen Temperaturbereich in die Gasphase überführt werden kann. Als geeignetes Beispiel hierfür sei ein Aktivmaterial genannt, das Silizium enthält, wobei als Vorstufe SiH4 eingesetzt wird, das sich bei erhöhter Temperatur zersetzt.
Zum Infiltrieren gemäß Verfahrensschritt (c) wird beispielsweise eine Vorläufersubstanz für nicht graphitisierbaren Kohlenstoff eingesetzt, insbesondere wasser- lösliches Kohlenhydrat, vorzugsweise Saccharose. Wasserlösliche Kohlenhydrate sind als preiswerte Massenchemikalien erhältlich. Die Lösungen der Kohlenhydrate zeichnen sich durch eine geringe Viskosität aus, so dass sich auch enge Porenkanäle leicht vollständig und gleichmäßig infiltrieren lassen. Nach dem Infiltrie- ren und dem Entfernen des Lösungsmittels wird daraus nach dem Carbonisieren eine Schicht aus nicht graphitischem und auch nicht graphitisierbarem, porösem Kohlenstoff auf den Oberflächen des Templats erhalten, der in der Literatur auch als„turbostratischer" Kohlenstoff" oder„hard carbon" bezeichnet wird.
Turbostratischer (nicht graphitisierbarer) Kohlenstoff zeigt im Vergleich zu Grafit jedoch eine vergleichsweise hohe Mikroporosität, die große Mengen an Elektrolyt oder Aktivmaterial binden kann, die so dem elektrochemischen Prozess entzogen werden. Zum Infiltrieren gemäß Verfahrensschritt (c) wird daher vorzugsweise eine Vorläufersubstanz für graphitisierbaren Kohlenstoff eingesetzt wird, insbesondere Pech. Pech, insbesondere„Mesophasenpech", ist ein kohlenstoffhaltiges Material, das relativ einfach eine graphitähnliche Struktur mit geringer Mikroporosität bilden kann. Die infiltrierte Pechschmelze bildet nach dem Carbonisieren daher ein graphitähnliches Schichtgefüge, das zwar auch turbostratische Anteile enthalten kann, das jedoch geordneter und graphitähnlicher ist als der aus der nicht graphi- tisierbaren Vorstufe erhaltene turbostratische, hochporöse Kohlenstoff, und das insbesondere eine geringe Mikroporosität und damit auch eine geringere spezifische Oberfläche und eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die graphitisierbare Vorläufersubstanz erfährt beim Carbonisieren eine merkliche Umlagerung von Graphenschichten in Richtung auf eine Graphitstruktur und wird in der Literatur auch als„soft carbon" bezeichnet.
Im Hinblick auf eine möglichst geringe Adsorption für den Elektrolyten weist die Kohlenstoffschicht nach dem Carbonisieren eine geringe Mikroporosität auf, die charakterisiert ist dadurch, dass Mikroporen mit einem Porendurchmesser von weniger als 2 nm weniger als 10% ihres gesamten Porenvolumens ausmachen. Mikroporen sind durch einen Porendurchmesser von 2 nm und weniger charakterisiert. Insbesondere im Hinblick auf die mechanische Stabilität der Schichtstruktur und eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat die Kohlenstoffschicht nach dem Carbonisieren eine mittlere Schichtdicke von mindestens 2 nm.
Die graphitähnliche Ablagerung von Kohlenstoff bildet die Außenschicht des Schichtverbundes. Sie ist mit dem Aktivmaterial entweder unmittelbar oder mittelbar über eine Zwischenschicht verbunden. Eine Zwischenschicht hat sich insbesondere in denjenigen Fällen als hilfreich erweisen, bei denen die grafitähnliche Kohlenstoffschicht an dem Aktivmaterial nicht oder schlecht haftet.
Im Hinblick hierauf wird eine Verfahrensweise bevorzugt, bei der das Infiltrieren ge- mäß Verfahrensschritt (c) eine erste Infiltrationsstufe und eine zweite Infiltrations- stufe umfasst, wobei in der ersten Infiltrationsstufe eine Vorläufersubstanz für nicht graphitisierbaren Kohlenstoff, und in der zweiten Infiltrationsstufe die Vorläufersubstanz für den graphitisierbaren Kohlenstoff eingesetzt wird.
Nach dem Carbonisieren bildet die Vorläufersubstanz für nicht graphitisierbaren Kohlenstoff eine Schicht aus mikroporösem Kohlenstoff. Diese Schicht ist in direktem Kontakt zu dem Aktivmaterial, wobei die turbostratische Struktur des mikroporösen Kohlenstoffs zur besseren Haftung des Aktivmaterials beitragen. Für die Wirkung als Haftvermittler genügt bereits eine geringe Dicke der Schicht aus mikroporösem Kohlenstoff. Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass beim Beschichten gemäß Verfahrensschritt (b) mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70% des Porenvolumens der Poren des Templats mit dem elektrochemischen Aktivmaterial oder der Vorstufe für das Aktivmaterial gefüllt werden.
Hierbei ist der größte Teil des Templat-Porenvolumens mit dem Aktivmaterial be- legt, so dass dieses näherungsweise einen Negativabdruck der ursprünglichen Templat-Nanoteilchen darstellt. Dadurch ergibt sich eine besonders Ladekapazität der daraus erzeugten Elektrode.
Zum Erzeugen des Templat-Gerüsts gemäß Verfahrensschritt (a) werden vorzugsweise sphärische, miteinander verbundene Nanoteilchen erzeugt. Ehemals sphärische Nanoteilchen stellen nach dem Entfernen des Templatmaterials bei geringer Oberfläche ein großes Innenvolumen zur Aufnahme des Aktivmaterials und von Lithium zur Verfügung.
Vorzugsweise wird die Kompositstruktur in Form poröser, nicht sphärischer Koh- lenstoffflocken erzeugt.
Die Kompositstruktur fällt beim erfindungsgemäßen Verfahren als Monolith oder mit plättchen- oder flockenartiger Morphologie an. In jedem Fall kann es leicht zu kleineren Partikeln zerteilt werden, die beispielsweise mittels üblicher Pastenoder Schlickerverfahren zu Formkörpern oder Schichten weiterverarbeitet. Die Weiterverarbeitung der Kompositstruktur zu einer Elektrode beispielsweise für eine Lithium-Batterie erfolgt anhand der aus dem Stand der Technik bekannten Methoden.
Wegen ihrer nicht sphärischen Morphologie ermöglichen die mit ihren Flachseiten aneinander liegenden Flocken oder Plättchen eine optimale elektrische Kontaktie- rung und gleichzeitig eine optimale Infiltrierbarkeit mit Lithium infolge des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen.
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 beim erfindungsgemäßen Verfahren dienen
Figuren 2 bis 6 Verfahrensschritte bei der Herstellung des erfindungsgemäßen
Kohlenstofferzeugnisses in schematischer Darstellung.
Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung dient zur Herstellung poröser Granulatteil- chen aus SiO2, die beim erfindungsgemäßen Verfahren als Harttemplat 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 Tronnnnel 1 hat einen Außendurchmes- ser 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 SiO2- porösen Sootplatte 5a leicht thermisch verdichtet.
5 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
10 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
15 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
20 45 m 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 rohrförmigen Infrarotstrahler 14, der innerhalb der als
25 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 relative 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 10, 10a in ungefähr gleich große Bruchstücke (Granulatteilchen 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 Granulatteilchen 13 haben eine plättchenar- tige 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. Infol- ge des beschriebenen Brechvorgangs sind auch die Granulatteilchen 13 in etwa gleich groß, so dass sich eine enge Korngrößenverteilung einstellt. Das Strukturverhältnis„A", also das Verhältnis von größter Strukturbreite (a oder b) und Dicke (c) der Granulatteilchen 13 liegt im Ausführungsbeispiel bei etwa 10.
Die so erzeugten Granulatteilchen 13 dienen als Templat für die Herstellung po- röser Kohlenstoffflocken, wie dies in Figuren 2 bis 6 schematisch dargestellt ist und anhand dieser Figuren im Folgenden näher erläutert wird. Beispiel 1
Die nicht sphärischen, plättchenförmigen Granulatteilchen 13 setzen sich mikroskopisch betrachtet aus einer Vielzahl mehr oder weniger sphärischer Agglomerate aus SiO2-Nanoteilchen zusammen. Ein derartiges Nanoteilchen-Agglomerat 13 ist in Figur 2 zeigt schematisch dargestellt.
Die Granulatteilchen 13 werden in eine Lösung aus Harnstoff und Na2SnO3 eingebracht. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels verbleibt auf den inneren und äußeren Oberflächen des Granulats ein Film 14 aus SnO2 mit einer mittleren Dicke um 50 nm, den Figur 3 schematisch zeigt und der als elektrochemisches Aktivmaterial im Sinne der Erfindung dient.
Die so beschichteten Granulatteilchen werden mit fein gemahlenem Pechpulver im Gewichtsverhältnis 1 :4 (Pech : Granulatteilchen) homogen miteinander vermischt und die Partikelmischung wird auf eine Temperatur von 300°C erhitzt. Das niedrig viskose Pech umhüllt die kleinen SiO2-Granulatteilchen 13 und dringt in die Poren ein und infiltriert diese. Das Gewichtsverhältnis von Pech- und Granulatteilchen 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 4 zeigt schematisch den so erhaltenen Verbund aus Granulatteilchen 13, umhüllt von einer SnO2-Schicht 14 und einer Pechschicht 15.
Das Quarzglas der Granulatteilchen 13 wird anschließend entfernt, indem die Teilchen in ein Bad aus 2-molarer NaOH-Lösung eingebracht werden. Da die Granulatteilchen 13 aus netzartig miteinander verbundenen Nanopartikeln bestehen, kann die NaOH-Lösung innerhalb der Netzstruktur vordringen bis das ge- samte Templatmaterial entfernt ist.
Figur 5 zeigt schematisch den nach dem Wegätzen der SiO2-Granulatteilchen erhaltenen Schichtverbund 16 aus der SnO2-Schicht 14 und der Pechschicht 15. Der Schichtverbund 16 ist näherungsweise ein negatives Abbild der Massenver- teilung der ursprünglichen SiO2-Granulatteilchen 13. Die Schichten 14; 15 umgeben eine Kavität 17.
Anschließend wird die Kompositstruktur in Stickstoff auf eine Temperatur von 700 °C erhitzt und das Pech dadurch zu Kohlenstoff reduziert (carbonisiert). Da- bei kommt es auch zu einer Reduktion von SnO2 zu Zinn, wobei das Metall auch kurzzeitig verflüssigt sein kann und sich zu feinen Tröpfchen 20 innerhalb der Kavität 17 zusammenzieht.
Wie in Figur 6 angedeutet, besteht die so erhaltene Kompositstruktur 18 aus einer grafitähnlichen Kohlenstoffschicht 19, die die Innenwandung einer Aktivmate- rialkavitat 17 bildet, wobei an der Kohlenstoffschicht 19 feine Partikel 20 aus Zinn haften. 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 6 nicht maßstabsgetreu ist. Die Kompositstruktur 18 erstreckt sich in allen Raumrichtungen und bildet ein mit Aktivmaterial 20 beladenes Koh- lenstofferzeugnis, das eine hierarchische Porenstruktur aufweist. Wichtig ist, dass die Kavität 17 nicht vollständig abgeschlossen ist, sondern mit anderen Meso- und Makroporen fluidisch verbunden ist, so dass die Zinn-Partikel 20 einer weitergehenden chemischen Behandlung zugänglich sind, und in die Kavität 17 weitere elektrochemisch aktive Substanzen und insbesondere Lithium eingebracht werden können.
Die so erhaltene Kompositstruktur wird bei Bedarf weiter zerkleinert. Es werden mit Aktivmaterial beladene Kohlenstoffflocken erhalten, bei denen eine feinglied- rig 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. Hierzu werden sie auf bekannte Art und Weise mit Lithium infiltriert, das dabei die ehemals mit Templat-Teilchen 13 besetzten Kavitäten 17 ganz oder teilweise auffüllt. In den Kavitäten17 bleiben auch bei Entladung der Batterie gebildete und freigesetzte Substanzen physikalisch gebunden, wodurch verhindert wird, dass sie sich im Elektrolyten gleichmäßig verteilen und dadurch für die elektrochemische Reak- tion nicht mehr zur Verfügung stehen, und es wird verhindert, dass die einzelnen Teilchen elektrisch dekontaktieren.
Beispiel 2
Das Beschichten der Poren der Granulatteilchen 13 erfolgt durch Abscheidung von SiH4aus der Gasphase. SiH4 zersetzt sich dabei sich infolge erhöhter Temperatur, so das sich auf den zugänglichen Oberflächen der Granulatteilchen 13 eine etwa 20 nm dicke Siliciumschicht bildet. Silicium bildet hierbei das elektrochemische Aktivmaterial im Sinne der Erfindung.
Die so beschichteten Granulatteilchen werden mit flüssigem Pech infiltriert und auf diese Weise mit einer Schicht aus Pech versehen, wie anhand Beispiel 1 beschrieben. Der so erhaltene Verbund aus Granulatteilchen, umhüllt von einer Sili- cium-Schicht und einer Pechschicht wird anschließend auf eine Temperatur von 700 °C erhitzt und das Pech dadurch zu Kohlenstoff reduziert.
Das Quarzglas der Granulatteilchen wird anschließend entfernt, indem die Teil- chen in ein Flusssäurebad eingebracht werden. Die Flusssäure kann dabei innerhalb der Netzstruktur der Granulatteilchen vordringen, so dass das gesamte Templatmaterial innerhalb weniger Minuten entfernt ist. Da Silicium eine deutlich geringere Ätzrate in Flusssäure hat als das SiO2 der Granulatteilchen wird die Siliciumschicht bei diesem Ätzvorgang nicht nennenswert verringert. Der nach dem Wegätzen der SiO2-Granulatteilchen erhaltenen Schichtverbund aus Siliciumschicht und Kohlenstoffschicht 1 ist näherungsweise ein negatives Abbild der Massenverteilung der ursprünglichen SiO2-Granulatteilchen. Die Schichten umgeben eine Aktivmaterialkavität. Die Kompositstruktur erstreckt sich in allen Raumrichtungen und bildet ein mit Aktivmaterial beschichtetes Kohlen- Stofferzeugnis mit hierarchischer Porenstruktur.
Die Kavitäten sind nicht vollständig abgeschlossen, sondern mit anderen Meso- und Makroporen fluidisch verbunden, so dass die Silicium-Schicht einer weitergehenden chemischen Behandlung zugänglich ist und insbesondere mit Lithium legiert werden kann. Die so erhaltene Kompositstruktur wird bei Bedarf weiter zerkleinert und zu Ano- denmaterial für eine Sekundärbatterie weiterverarbeitet, wie oben anhand Beispiel 1 erläutert.
Beispiel 3 Bei einer Abwandlung der Verfahrensweise von Beispiel 2 ist nach dem Beschichten der Granulatteilchen mit dem Aktivmaterial in Form von Silicium ein zweistufiger Infilt- rationsprozess der Poren mit Kohlenstoff vorgesehen.
Dabei werden die beschichteten Granulatteilchen zunächst in ein Tauchbad einer wässrigen, gesättigten Lösung aus Rohrzucker eingebracht. Das imprägnierte Material wird anschließend getrocknet. Dieser Imprägnierungs- und Trocknungsvorgang wird einmal wiederholt. In den Poren der Granulatteilchen und auf den Oberflächen der mit Aktivmaterial vorab beschichteten Nanoteilchen-Agglomerate bildet sich eine getrocknete Rohrzuckerlage. Diese wird durch Erhitzen in Stickstoff bei 700 °C zu einem Film mit einer Dicke von etwa 3 nm aus turbostrati- schem Kohlenstoff carbonisiert, die eine gewisse Mikroporosität und aufgrund ihrer turbostratischen Struktur eine gutes Haftvermögen zu der Siliziumschicht zeigt.
Anschließend werden die so vorab beschichten Granulatteilchen mit Pech infiltriert und weiter verarbeitet, wie anhand Beispiel 2 erläutert. Beispiel 4
Zur Herstellung eines kathodischen Werkstoffs für Sekundärbatterien auf Basis der komplexen Lithiumverbindung LiFePO4 werden Nanoteilchen dieser Verbindung homogen in flüssiges Pech eingemischt. Das mit dem Aktivmaterial belade- ne Pech wird nach dem Abkühlen auf eine Teilchengröße von etwa 15 μιτι gemah- len und mit SiO2-Granulatteilchen vermischt. Die Partikelmischung wird auf eine Temperatur von 300°C erhitzt, so dass die Mischung aus niedrig viskosem Pech und dem Aktivmaterial in die Poren der SiO2-Granulatteilchen eindringt, so dass eine Beschichtung mit Pech und darin eingelagerten Aktivmaterial-Partikel erhal- ten wird. Die mittlere Größe der Nanoteilchen entspricht in etwa der Größe Dicke der Pechschicht.
Die so erhaltenen beschichteten Granulatteilchen werden auf eine Temperatur von 700 °C unter Stickstoff-Atmosphäre erhitzt und das Pech zu grafitähnlichem Kohlenstoff mit geringer Mikroporosität carbonisiert, derart, dass Mikroporen mit einem Porendurchmesser von weniger als 2 nm weniger als 6% des gesamten Porenvolumens der Kohlenstoffschicht ausmachen.
Beim Carbonisieren bleiben die in der Beschichtung eingelagerten LiFePO4- Partikel trotz der reduzierenden Wirkung des Kohlenstoffs weitgehend erhalten. Nach dem Entfernen des SiO2 der Granulatteilchen durch Ätzen in 2-molarer NaOH-Lösung wird auch diejenige Oberfläche der Kohlenstoffschicht zugänglich, die bis dahin vom SiO2 der Granulatteilchen belegt war und die die Innenwandung von Kavitäten bildet, die miteinander über ehemalige Sinterhälse miteinander verbunden sind. Die so erzeugte, poröse Kompositstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass in der grafitähnlichen Kohlenstoffschicht Partikel aus dem Aktivmaterial LiFePO4 eingebettet sind, die an der Oberfläche der Kohlenstoffschicht anliegen oder über diese hinausragen. Die so eingebetteten Aktivmaterialpartikel sind somit einerseits über Poren der Kompositstruktur für den Elektrolyten einer Sekundärbatterie ohne weiteres zugänglich und sie sind andererseits über die grafitähn- liehe, wenig poröse Kohlenstoffschicht reproduzierbar elektrisch kontaktiert.
Bezugszeichenliste
Trommel
Mantelfläche 1 a
Rotationsachse 2
Brennerreihe 3
Flammhydrolysebrenner 4
Schicht 5
Sootplatte 5a
Brennerflamme 6
Gebläse 7
Stützrolle 8 Brechwerkzeug 9
Rollen 10a, 10b
Auffangbehälter 1 1
Trennwand 12
Granulatteilchen 13
SnO2-Schicht 14
Pechschicht 15
Schichtverbund 16
Kavität 17
Kompositstruktur 18
Kohlenstoffschicht 19
Partikel aus Zinn 20
Strukturverhältnis „A

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung einer Kompositstruktur (18) aus porösem Kohlenstoff und elektrochemischem Aktivmaterial, umfassend folgende Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen von Templat-Partikeln aus anorganischem Templatmaterial, die jeweils ein Poren enthaltendes Templat-Gerüst miteinander verbundener Nanoteilchen bilden,
(b) Beschichten des Templat-Gerüsts mit einem elektrochemischen Aktivmaterial (14) oder einer Vorstufe desselben, (c) Infiltrieren der Poren mit einer Vorläufersubstanz (15) für Kohlenstoff,
(d) Carbonisieren der Vorläufersubstanz unter Bildung einer Kohlenstoffschicht (19),
(e) Entfernen des Templatmaterials.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten des Templat-Gerüsts gemäß Verfahrensschritt (b) durch Eintrag der Vorstufe in einer flüssigen Phase erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial (14) Sn enthält und dass als Vorstufe SnO2 eingesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial oder die Vorstufe desselben in Form von Nanopartikeln vorliegt, die in einer
Dispersion mit der Kohlenstoff-Vorläufersubstanz beim Infiltrieren gemäß Verfahrensschritt (c) in die Poren des Templats eingebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel
LiFePO4 enthalten.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten gemäß Verfahrensschritt (b) durch Abscheidung der Vorstufe aus der Gasphase erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivmaterial Si enthält und dass als Vorstufe SiH4 eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Infiltrieren gemäß Verfahrensschritt (c) eine Vorläufersubstanz für
5 graphitisierbaren Kohlenstoff eingesetzt wird, insbesondere Pech.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht (19) nach dem Carbonisieren eine geringe Mikroporosität aufweist, die charakterisiert ist dadurch, dass Mikroporen mit einem Porendurchmesser von weniger als 2 nm weniger als 10% ihres gesamten Porenvolu-
10 mens ausmachen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht (19) nach dem Carbonisieren eine mittlere Schichtdicke von mindestens 2 nm aufweist.
1 1 .Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das 15 Infiltrieren gemäß Verfahrensschritt (c) eine erste Infiltrationsstufe und eine zweite Infiltrationsstufe umfasst, wobei in der ersten Infiltrationsstufe eine Vorläufersubstanz für nicht graphitisierbaren Kohlenstoff, und in der zweiten Infiltrationsstufe die Vorläufersubstanz für den graphitisierbaren Kohlenstoff eingesetzt wird.
20 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Beschichten gemäß Verfahrensschritt (b) mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70% des Porenvolumens der Poren des Templats (13) mit dem elektrochemischen Aktivmaterial oder der Vorstufe für das elektrochemische Aktivmaterial gefüllt werden.
25 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen des Templat-Gerüsts gemäß Verfahrensschritt (a) sphärische, miteinander verbundene Nanoteilchen erzeugt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompositstruktur (18) in Form poröser, nicht sphärischer Kohlenstoffflocken erzeugt wird.
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