Infiltration von Siliciumnanopartikeln in eine poröse Kohlenstoffstruktur

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Legierungsmaterial- Kohlenstoff- Komposits, insbesondere eines Silicium- Kohlenstoff-Komposits, sowie einen entsprechenden Komposit, ein

entsprechendes Anodenmaterial sowie eine, damit ausgestattete Lithium-Zelle und Lithium- Batterie.

Stand der Technik

Es sind Batterien mit unterschiedlichster Chemie, wie Bleibatterien, Nickel- Cadmium-Batterien, Nickelmetallhydridbatterien, sekundäre Lithium-Ionen- Batterien, primäre Lithium-Zellen, et cetera, und mit unterschiedlichstem Aufbau, beispielsweise Knopfzellen, zylindrische Zelle, prismatische Zellen, Stapelzellen und gewickelte Anoden-Separator- Kathoden- Anordnungen, et cetera, bekannt.

Da Lithium- Ionen- Batterien eine höhere spezifische Energie als Bleibatterien, Nickel-Cadmium-Batterien und Nickelmetallhydridbatterien aufweisen, sind diese derzeit für die Elektromobilität von besonderem Interesse.

P.G. Bruce et. al. vergleichen in Nature Materials (Nat. Mater., 11, 2012, S. 11- 29) die spezifische Energie, die voraussichtlichen Kosten und die

voraussichtliche Reichweite von, mit unterschiedlichen Batteriesystemen ausgestatteten Elektrofahrzeugen und zeigen auf, dass zum Erzielen einer Reichweite von über 200 km mit einem Elektrofahrzeug mittels eines einzigen Ladevorgang weiterentwickelte Lithium-Ionen-Batterien benötigt werden.

Durch die Verwendung von metallischem Lithium beziehungsweise Silicium - anstelle des in Lithium- Ionen- Batterien üblicherweise verwendeten Graphits - als Anodenmaterial, kann die Kapazität und spezifische Ladung deutlich erhöht werden.

Metallisches Lithium ist jedoch feuchtigkeitsempfindlich, empfindlich gegenüber Gasen, wie Sauerstoff (0 ₂ ), Kohlendioxid (C0 ₂ ), Stickstoff (N ₂ ), et cetera, kann während des Zyklisierens Dendrite bilden, welche gegebenenfalls zu internen Kurzschlüssen führen können, und ist zudem schwierig in der Handhabung und Verarbeitung.

Silicium scheint eine Alternative zu metallischem Lithium darzustellen. Silicium weist nämlich eine spezifische Energie von etwa 4100 mAh/g auf, welche verglichen mit Graphit mit einer spezifischen Energie von etwa 372 mAh/g sehr hoch und auch höher als die spezifische Energie von metallischem Lithium ist. Zudem ist Silicium kostengünstig, leicht verfügbar, ungiftig und einfacher in der Handhabung und Verarbeitung als metallisches Lithium.

Silicium bildet als Anodenmaterial während des Ladens mit Lithium eine Lithium- Silicium-Legierung (Li _4>4 Si). Die Einlagerung von 4,4 Lithiumatomen pro

Siliciumatom geht jedoch mit einer sehr hohen Volumenvergrößerung von etwa 300 % einher. Die Volumenvergrößerung des Siliciums während des Zyklisierens kann dabei zu einem Kontaktverlust zwischen Silicium und Stromkollektor und damit zu schlechten Zyklisierungseigenschaften, wie einem Kapazitätsverlust während des Zyklisierens, und einer schlechten elektrochemischen

Leistungsfähigkeit führen. Zudem weist Silicium nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit auf.

Bei großen Siliciumpartikeln kann Lithiums nur bis zu einer beschränkten Tiefe eindringen, weshalb große Siliciumpartikel bei einem Einsatz als Anodenmaterial schlechte kinetische Eigenschaften aufweisen können. Durch den Einsatz von Siliciumnanopartikeln in Kombination mit

Leitkohlenstoffpartikel und Binder, wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR;

Englisch: Styrene Butadiene Rubber) als Anodenmaterial, können in der Regel auch keine guten Zyklisierungseigenschaften erzielt werden.

Die Druckschrift WO 2009/131700 A2 beschreibt Materialkombinationen mit Aktivmaterialien mit einer hohen Energiedichte für negative Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien.

Offenbarung der Erfindung

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Legierungsmaterial- Kohlenstoff- Komposits, insbesondere eines Silicium- Kohlenstoff- Komposits, beispielsweise für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Infiltrieren einer porösen Kohlenstoffstruktur mit Legierungsmaterialpartikeln; und

b) Infiltrieren der mit Partikeln infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur mit einem, insbesondere partikelbindenden, Binder.

Unter einem Legierungsmaterial kann insbesondere ein Material verstanden werden, welches mit Lithium eine Legierung ausbilden kann. Beispielsweise kann das Legierungsmaterial Silicium sein.

Unter einer Lithium-Zelle kann insbesondere eine elektrochemische Zelle, beispielsweise eine sekundäre oder primäre Batteriezelle, verstanden werden, an deren elektrochemischer Reaktion Lithium beteiligt ist. Beispielsweise kann eine Lithium-Zelle eine Lithium-Ionen-Zelle oder eine Lithium-Sauerstoff-Zelle, beispielsweise eine Lithium-Luft-Zelle, oder eine Lithium-Schwefel-Zelle sein. Eine Lithium- Batterie kann insbesondere Lithium-Zellen umfassen.

Beispielsweise kann eine Lithium- Ionen- Batterie Lithium-Ionen-Zellen

beziehungsweise eine Lithium-Sauerstoff- Batterie Lithium-Sauerstoff-Zellen beziehungsweise eine Lithium-Schwefel- Batterie Lithium-Schwefel-Zellen umfassen. Die, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur kann vorteilhafterweise einen Legierungsmaterial- Kohlenstoff- Komposit ausbilden. Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens sind die

Legierungsmaterialpartikel Siliciumpartikel. Beispielsweise können daher in Verfahrensschritt a) Siliciumpartikel, insbesondere als

Legierungsmaterialpartikel, eingesetzt werden. Insofern Siliciumpartikel als Legierungsmaterialpartikel eingesetzt werden, kann die, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur vorteilhafterweise einen

Silicium- Kohlenstoff- Komposit ausbilden.

Die, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur beziehungsweise der Komposit kann vorteilhafterweise als Anodenmaterial für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, beispielsweise für eine Lithium-

Ionen-Zelle und/oder eine Lithium- Ionen- Batterie oder eine Lithium-Sauerstoff- Zelle und/oder eine Lithium-Sauerstoff- Batterie oder eine Lithium-Schwefel-Zelle und/oder Lithium-Schwefel- Batterie, verwendet werden. Durch Verfahrensschritt a) können vorteilhafterweise Legierungsmaterialpartikel, zum Beispiel Siliciumpartikel, in die poröse Kohlenstoffstruktur inkorporiert werden und durch das zusätzliche Einbringen des Binders in Verfahrensschritt b) darin fixiert werden. Dadurch, dass die Partikel und der Binder getrennt voneinander in die poröse

Kohlenstoffstruktur eingebracht werden und insbesondere zuerst die Partikel in Verfahrensschritt a) in die poröse Kohlenstoffstruktur eingebracht werden, kann vorteilhafterweise der elektrische Kontakt und beispielsweise auch der ionische Kontakt zwischen den Partikel und der Kohlenstoffstruktur verbessert werden. Dadurch, dass der Binder erst danach in Verfahrensschritt b) in die poröse

Kohlenstoffstruktur eingebracht wird, können die Partikel durch den Binder vorteilhafterweise nicht nur fixiert, sondern zusätzlich - insbesondere unter Aufrechterhaltung eines guten elektrischen Kontakts und beispielsweise auch ionischen Kontakts zwischen den Partikel und der Kohlenstoffstruktur - vor äußeren Einflüssen, beispielsweise einer chemischen Reaktion mit flüssigem Elektrolyt und/oder Feuchte, geschützt werden, was sich vorteilhaft auf die Zyklisierungsbeständigkeit einer damit ausgestatteten Lithium-Zelle und/oder - Batterie auswirken kann.

Dadurch, dass die poröse Struktur aus Kohlenstoff ausgebildet ist

beziehungsweise wird, kann vorteilhafterweise eine poröse Struktur zur

Verfügung gestellt werden, welche selbst nur eine sehr geringe

Volumenänderung, beispielsweise von kleiner oder gleich etwa 7 %, während des Zyklisierens vollzieht und daher vergleichsweise stabil sein kann.

Die poröse Kohlenstoffstruktur kann dabei vorteilhafterweise eine übergeordnete, dreidimensionale, stabile Struktur bereitstellen. Durch die übergeordnete, dreidimensionale, stabile Struktur der porösen Kohlenstoffstruktur und den Binder, kann so zudem vorteilhafterweise eine hohe mechanische Stabilität des Komposits erzielt werden, insbesondere welche mechanisch stabiler als

Anodenmaterial- Komposite aus Siliciumnanopartikeln, Leitkohlenstoffpartikeln und Binder, wie Styrol-Butadien-Kautschuk (SBR; Englisch: Styrene Butadiene Rubber), sein kann. Darüber hinaus kann durch die dreidimensionale, poröse Kohlenstoffstruktur zudem eine elektrische Kontaktierung mit Fernwirkung und damit eine verbesserte elektrochemische Leistungsfähigkeit einer damit ausgestatteten Lithium-Zelle und/oder -Batterie erzielt werden.

Durch die Poren der porösen Kohlenstoffstruktur kann dabei vorteilhafterweise zum einen ein Puffervolumen für die Volumenvergrößerung des

Legierungsmaterials, insbesondere Siliciums, während der Lithiierung beim Laden zur Verfügung gestellt werden. Zum anderen kann durch die Poren der porösen Kohlenstoffstruktur realisiert werden, dass die darin aufgenommenen Partikel nach dem Entladen elektrisch und beispielsweise auch ionisch kontaktiert bleiben und beispielsweise vermieden werden kann, dass sich die Partikel ablösen und den elektrischen und beispielsweise auch ionischen Kontakt verlieren. So kann wiederum die Zyklisierungsbeständigkeit einer damit ausgestatteten Lithium-Zelle und/oder -Batterie verbessert werden. Darüber hinaus kann durch die Poren der porösen Kohlenstoffstruktur vorteilhafterweise auch ein Eindringen von flüssigem Elektrolyten und dadurch ein schneller Transport von Lithiumionen ermöglicht werden.

Im Rahmen einer Ausführungsform erfolgt das Infiltrieren in Verfahrensschritt a) mittels Vakuum. So kann vorteilhafterweise die Infiltration beschleunigt und eine hohe Eindringtiefe der Partikel erzielt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Infiltrieren in

Verfahrensschritt a) mittels Filtration. So kann vorteilhafterweise die Infiltration auf besonders einfache Weise realisiert werden.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsformen erfolgt das Infiltrieren in Verfahrensschritt a) mittels Vakuumfiltration. Dabei kann die poröse Kohlenstoffstruktur insbesondere als Filter dienen. So kann vorteilhafterweise die Infiltration auf besonders einfache und schnelle Weise realisiert und zudem eine hohe Eindringtiefe der Partikel erzielt werden. Darüber hinaus kann durch eine Vakuumfiltration vorteilhafterweise auch ein Trocknungseffekt erzielt werden, welcher es ermöglicht auf einen weiteren Trockenschritt zu verzichten oder diesen zumindest mit einem geringen Energieaufwand und/oder in einer kürzeren Prozesszeit durchzuführen.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt auch das Infiltrieren in Verfahrensschritt b) mittels Vakuum. So kann vorteilhafterweise auch diese Infiltration beschleunigt werden. Zudem kann so vorteilhafterweise der Aufbau aus Verfahrensschritt a) beibehalten und auf diese Weise das

Herstellungsverfahren vereinfacht werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform erfolgt auch das Infiltrieren in Verfahrensschritt b) mittels Filtration. So kann vorteilhafterweise auch diese Infiltration auf besonders einfache Weise realisiert werden. Zudem kann auch so vorteilhafterweise der Aufbau aus Verfahrensschritt a) beibehalten und auf diese Weise das Herstellungsverfahren vereinfacht werden. Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsformen erfolgt auch das Infiltrieren in Verfahrensschritt b) mittels Vakuumfiltration. Dabei kann die poröse Kohlenstoffstruktur insbesondere als Filter dienen. So kann vorteilhafterweise auch diese Infiltration auf besonders einfache und schnelle Weise realisiert werden. Zudem kann auch dabei das Herstellungsverfahren durch eine Beibehaltung des Aufbaus aus Verfahrensschritt a) vereinfacht werden. Darüber hinaus kann durch eine Vakuumfiltration in Verfahrensschritt b) vorteilhafterweise auch ein Trocknungseffekt erzielt werden, welcher es ermöglicht auf einen weiteren Trockenschritt zu verzichten oder diesen zumindest mit einem geringen Energieaufwand und/oder in einer kürzeren Prozesszeit durchzuführen.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform werden in Verfahrensschritt a) die Partikel in Form einer Dispersion eingesetzt. Dies hat sich für die Infiltration von Legierungsmaterialpartikeln, insbesondere Siliciumpartikeln, beispielsweise in Kombination mit einer (Vakuum-)Filtration, als besonders vorteilhaft erwiesen. Dabei können die Partikel insbesondere in mindestens einem Lösungsmittel, welches insbesondere auch als erstes Infiltrationslösungsmittel bezeichnet werden kann, dispergiert werden beziehungsweise dispergiert sein. Zum Beispiel kann dabei das mindestens eine Lösungsmittel, insbesondere das mindestens eine erste Infiltrationslösungsmittel, mindestens einen Alkohol umfassen.

Beispielsweise kann das mindestens eine Lösungsmittel, insbesondere das mindestens eine erste Infiltrationslösungsmittel, ein Alkohol sein.

Das Infiltrieren in Verfahrensschritt a) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine, insbesondere selbsttragende, poröse Kohlenstoffstruktur in eine Filterfritte beziehungsweise einen Trichter auf einer Saugvorrichtung eingelegt wird, wobei dann die Legierungsmaterialpartikel, insbesondere Siliciumpartikel, in Form einer Dispersion auf die poröse Kohlenstoffstruktur in der Filterfritte beziehungsweise in dem Trichter gegeben und die poröse Kohlenstoffstruktur mittels eines, an die Saugvorrichtung angelegten Vakuums mit den

Legierungsmaterialpartikel, insbesondere Siliciumpartikeln, infiltriert wird. Als Saugvorrichtung kann dabei beispielsweise eine Saugflasche dienen. So kann vorteilhafterweise die Infiltration auf besonders einfache und schnelle Weise mit einem einfachen Aufbau realisiert und zudem eine hohe Eindringtiefe der Partikel erzielt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird in Verfahrensschritt b) der, insbesondere partikelbindende, Binder in Form einer binderhaltigen Flüssigkeit eingesetzt. Dies hat sich für die Infiltration von Binder, beispielsweise in

Kombination mit einer (Vakuum-)Filtration, als besonders vorteilhaft erwiesen. Beispielsweise kann in Verfahrensschritt b) der, insbesondere partikelbindende, Binder in Form einer Lösung eingesetzt werden. Dabei kann der, insbesondere partikelbindende, Binder insbesondere in mindestens einem Lösungsmittel, welches insbesondere auch als zweites Infiltrationslösungsmittel bezeichnet werden kann, gelöst und/oder dispergiert werden beziehungsweise sein.

Insbesondere kann der, insbesondere partikelbindende, Binder dabei in dem mindestens einen Lösungsmittel, insbesondere in dem mindestens einen zweiten Infiltrationslösungsmittel, gelöst werden beziehungsweise sein. So kann vorteilhafterweise eine homogene Verteilung des Binders erzielt und die erforderliche Bindermenge reduziert werden, wodurch wiederum die spezifische Kapazität verbessert werden kann. Zum Beispiel kann dabei das mindestens eine Lösungsmittel, insbesondere das mindestens eine zweite

Infiltrationslösungsmittel, Wasser umfassen oder sein. Wasser ist

vorteilhafterweise ungiftig, gut zugänglich und kosteneffektiv.

Beispielsweise kann in Verfahrensschritt b) ein wasserlöslicher Binder eingesetzt werden. Dies ermöglicht vorteilhafterweise in Verfahrensschritt b) eine wässrige Lösung einzusetzen. Dabei kann in Verfahrensschritt b) der, insbesondere partikelbindende, Binder insbesondere in Form einer wässrigen Lösung eingesetzt werden.

Beispielsweise kann in Verfahrensschritt a) der, insbesondere partikelbindende, Binder Carboxymethylcellulose (CMC) umfassen oder sein.

Carboxymethylcellulose ist vorteilhafterweise ein wasserlöslicher Binder. Zum Beispiel kann in Verfahrensschritt b) der, insbesondere partikelbindende, Binder in Form einer 1 Gew.-%-igen wässrigen Carboxymethylcellulose- Lösung eingesetzt werden. Das Infiltrieren in Verfahrensschritt b) kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die binderhaltigen Flüssigkeit, beispielsweise Lösung, auf die poröse Kohlenstoffstruktur in der Filterfritte beziehungsweise in dem Trichter gegeben und mittels eines an die Saugvorrichtung angelegten Vakuums mit dem, insbesondere partikelbindenden, Binder infiltriert wird. Als Saugvorrichtung kann dabei beispielsweise ebenfalls eine Saugflasche dienen. So kann

vorteilhafterweise auch diese Infiltration auf besonders einfache und schnelle Weise realisiert und durch eine Beibehaltung des Aufbaus aus Verfahrensschritt a) auch das Herstellungsverfahren vereinfacht werden.

Die Legierungsmaterialpartikel, insbesondere die Siliciumpartikel, können insbesondere sphärische Partikel sein. Durch den Einsatz von sphärischen Partikel kann vorteilhafterweise eine hohe Eindringtiefe der Partikel und damit eine gute Verteilung der Partikel in der porösen Kohlenstoffstruktur erzielt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform sind die Partikel Nanopartikel. Beispielsweise können dabei in Verfahrensschritt a)

Legierungsmaterialnanopartikel, insbesondere als Legierungsmaterialpartikel, eingesetzt werden. Dabei können unter Nanopartikeln insbesondere Partikel verstanden werden, welche eine durchschnittliche Partikelgröße von < 100 nm aufweisen. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Eindringtiefe der Partikel und damit eine besonders gute Verteilung der Partikel in der porösen Kohlenstoffstruktur erzielt werden.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform sind die Legierungsmaterialpartikel, insbesondere die Siliciumpartikel,

Siliciumnanopartikel. Beispielsweise können dabei in Verfahrensschritt a) Siliciumnanopartikel, insbesondere als Legierungsmaterialpartikel, eingesetzt werden. So kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Eindringtiefe der Siliciumpartikel und damit eine besonders gute Verteilung der Siliciumpartikel in der porösen Kohlenstoffstruktur erzielt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weisen die Partikel, beispielsweise die Silicium(nano)partikel, eine durchschnittliche Partikelgröße in einem Bereich von > 25 nm bis < 75 nm auf. Zum Beispiel können die Partikel, beispielsweise die Silicium(nano)partikel, eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 50 nm aufweisen. Dies hat sich, beispielsweise in Kombination mit den nachfolgend erläuterten Porositäten der porösen Kohlenstoffstruktur, als vorteilhaft erwiesen.

Die poröse Kohlenstoffstruktur kann insbesondere eine dreidimensionale, poröse Kohlenstoffmatrix ist. Insbesondere kann die poröse Kohlenstoffstruktur eine dreidimensionale, stabile Kohlenstoffmatrix sein. Beispielsweise kann die Kohlenstoffstruktur eine dreidimensionale, übergeordnete, stabile

Kohlenstoffmatrix sein.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform weist die poröse Kohlenstoffstruktur eine Nanoporosität, eine Submikroporosität und eine Mikroporosität auf. Unter einer Nanoporosität kann insbesondere eine Porosität aus Poren mit einer Porengröße von < 25 nm, beispielsweise von < 10 nm, verstanden werden. Unter einer Submikroporosität kann insbesondere eine Porosität aus Poren mit einer Porengröße von > 25 nm bis < 300 nm verstanden werden. Unter einer

Mikroporosität kann insbesondere eine Porosität aus Poren mit einer Porengröße > 300 nm, und beispielsweise < 1 μηη, verstanden werden. Dies hat sich, beispielsweise in Kombination mit den vorstehend erläuterten Partikelgrößen, als vorteilhaft erwiesen.

Im Rahmen einer speziellen Ausgestaltung dieser Ausführungsform macht die Mikroporosität > 30 % bis < 50 %, die Submikroporosität > 30 % bis < 50 %, und die Nanoporosität > 10 % bis < 30 %, bezogen auf das Gesamtporenvolumen der porösen Kohlenstoffstruktur, aus. Dabei können die Mikroporosität, die

Submikroporosität und die Nanoporosität beispielsweise in Summe 100 % des Gesamtporenvolumens der porösen Kohlenstoffstruktur ausmachen. Zum Beispiel kann die Mikroporosität etwa 40 %, die Submikroporosität etwa 40 % und die Nanoporosität etwa 20 %, bezogen auf das Gesamtporenvolumen der porösen Kohlenstoffstruktur, ausmachen. Dies hat sich, beispielsweise in Kombination mit den vorstehend erläuterten Partikelgrößen, als besonders vorteilhaft erwiesen. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist die poröse Kohlenstoffstruktur eine selbsttragende Struktur. So kann vorteilhafterweise eine einfache

Handhabung der porösen Kohlenstoffstruktur realisiert und insbesondere eine hohe spezifische Kapazität einer damit ausgestatten Lithium-Zelle und/oder - Batterie erzielt werden.

Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform wird die, insbesondere

selbsttragende, poröse Kohlenstoffstruktur dadurch hergestellt, dass ein Trägersubstrat mit einer Schlämme aus Kohlenstoffpulver, mindestens einem, insbesondere kohlenstoffstrukturbindenden, Binder und mindestens einem Lösungsmittel, welches insbesondere auch als Beschichtungslösungsmittel bezeichnet werden kann, unter Ausbildung einer Schicht beschichtet wird, die Schicht getrocknet wird und die getrocknete Schicht von dem Trägersubstrat abgelöst wird. So kann eine selbsttragende, dreidimensionale, stabile, poröse Kohlenstoffstruktur, insbesondere mit übergeordneter Struktur, vorteilhafterweise auf einfache Weise hergestellt werden. Das Herstellen der, insbesondere selbsttragenden, poröse Kohlenstoffstruktur kann beispielsweise vor

Verfahrensschritt a), zum Beispiel in einem Verfahrensschritt x), erfolgen.

Das Trägersubstrat kann dabei beispielsweise aus Teflon ausgebildet sein. So kann vorteilhafterweise das Ablösen der getrockneten Schicht vom

Trägersubstrat vereinfacht werden. Der mindestens eine, insbesondere kohlenstoffstrukturbindende, Binder kann dabei beispielsweise

Polyvinylidenfluorid (PVDF) umfassen oder sein. Das mindestens eine

Lösungsmittel, insbesondere Beschichtungslösungsmittel, kann dabei beispielsweise N-Methyl-2-Pyrrolidon umfassen oder sein. Die Schlämme kann dabei beispielsweise, bezogen auf den Gesamtfeststoffanteil der Schlämme, > 80 Gew.-% bis < 99 Gew.-% an Kohlenstoffpulver und > 1 Gew.-% bis

< 20 Gew.-% an dem mindestens einen, insbesondere

kohlenstoffstrukturbindenden, Binder umfassen. Zum Beispiel kann die

Schlämme dabei, bezogen auf den Gesamtfeststoffanteil der Schlämme, etwa 90 Gew.-%, an Kohlenstoffpulver und etwa 10 Gew.-% an dem mindestens einen, insbesondere kohlenstoffstrukturbindenden, Binder umfassen. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt al): Beschichten der, mit Partikeln infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur mit Kohlenstoff. Durch die Kohlenstoffbeschichtung kann vorteilhafterweise die elektrische und beispielsweise auch ionische Kontaktierung zwischen den Partikeln, beispielsweise Siliciumpartikeln, und der porösen

Kohlenstoffstruktur weiter verbessert werden. Zudem können die Partikel, beispielsweise die Siliciumpartikel, durch die Kohlenstoffbeschichtung noch besser vor äußeren Einflüssen, beispielsweise einer chemischen Reaktion mit flüssigem Elektrolyt und/oder Feuchte, geschützt werden. Verfahrensschritt al) kann insbesondere nach dem Verfahrensschritt a) und beispielsweise vor dem

Verfahrensschritt b) erfolgen.

Das Beschichten in Verfahrensschritt al) kann beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD; Englisch: Chemical Vapour Deposition) erfolgen. So kann vorteilhafterweise eine Kohlenstoffbeschichtung, insbesondere auf den, in der porösen Kohlenstoffstruktur infiltrierten Partikel, beispielsweise

Siliciumpartikeln, ausgebildet werden.

Die, mit den Partikeln infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur kann gegebenenfalls nach dem Infiltrieren mit den Partikeln getrocknet werde. Das Trocknen der, mit den Partikeln infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur kann beispielsweise in einem, insbesondere nach Verfahrenschritt a), und beispielsweise vor

Verfahrensschritt b) und/oder al), erfolgenden Verfahrensschritt tl) durchgeführt werden.

Auch die, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur kann gegebenenfalls nach dem Infiltrieren mit dem Binder getrocknet werden. Das Trocknen der, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur kann beispielsweise in einem, insbesondere nach

Verfahrenschritt b) erfolgenden, Verfahrensschritt t2) durchgeführt werden. Das

Trocknen kann dabei beispielsweise bei einer Temperatur von < 100 °C, zum Beispiel bei etwa 80 °C, insbesondere unter Vakuum, erfolgen.

Das Verfahren kann insbesondere auch zur Herstellung eines Anodenmaterials für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, beispielsweise eine Lithium- Ionen-Zelle und/oder eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Lithium-Sauerstoff- Zelle und/oder eine Lithium-Sauerstoff- Batterie oder eine Lithium-Schwefel-Zelle und/oder Lithium-Schwefel- Batterie, ausgelegt sein. Beispielsweise kann das Verfahren auch zur Herstellung einer Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, beispielsweise einer Lithium-Ionen-Zelle und/oder Lithium- Ionen- Batterie oder einer Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder Lithium- Sauerstoff- Batterie oder einer Lithium-Schwefel-Zelle und/oder Lithium-Schwefel- Batterie, ausgelegt sein. Dabei kann aus der, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur eine Anode ausgebildet werden.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Komposit, dem erfindungsgemäßen Anodenmaterial, der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie sowie auf die

Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Legierungsmaterial-Silicium- Komposit, welcher durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.

Insbesondere kann der Komposit ein Silicium- Kohlenstoff- Komposit sein. Der Komposit kann beispielsweise in einer Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, insbesondere als Anodenmaterial, verwendet werden. Der Komposit kann daher insbesondere für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder eine Lithium- Ionen- Batterie oder eine Lithium-

Sauerstoff-Zelle und/oder eine Lithium-Sauerstoff- Batterie oder eine Lithium- Schwefel-Zelle und/oder Lithium-Schwefel- Batterie, insbesondere als ein

Anodenmaterial für eine (derartige) Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, ausgelegt sein.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Komposits wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Anodenmaterial, der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Anodenmaterial für eine Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie, beispielsweise für eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder eine Lithium- Ionen- Batterie oder eine Lithium-Sauerstoff-Zelle und/oder eine Lithium-Sauerstoff- Batterie oder eine Lithium-Schwefel-Zelle und/oder Lithium- Schwefel- Batterie, welches einen erfindungsgemäßen Komposit umfasst und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Anodenmaterials wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Komposit, der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.

Ferner betrifft die Erfindung eine Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie, welche einen erfindungsgemäßen Komposit und/oder ein erfindungsgemäßes

Anodenmaterial umfasst und/oder durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist. Die Lithium-Zelle und/oder Lithium- Batterie kann beispielsweise eine Lithium-Ionen-Zelle und/oder eine Lithium- Ionen- Batterie oder eine Lithium- Sauerstoff-Zelle und/oder eine Lithium-Sauerstoff- Batterie oder eine Lithium- Schwefel-Zelle und/oder Lithium-Schwefel- Batterie sein.

Die Zelle kann insbesondere eine Anode, welche auch als negative Elektrode bezeichnet werden kann, und einer Kathode, welche auch als positive Elektrode bezeichnet werden kann, umfassen.

Insbesondere kann dabei die Anode den erfindungsgemäßen Komposit beziehungsweise das erfindungsgemäße Anodenmaterial umfassen und/oder durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt sein.

Die Kathode kann dabei ein Interkalationsmaterial und/oder ein

Insertionsmaterial und/oder ein Umwandlungsmaterial und/oder ein

Extrusionsmaterial umfassen beziehungsweise daraus ausgebildet Im Fall einer Lithium-Ionen-Zelle kann die Kathode beispielsweise ein

Insertionsmaterial und/oder Interkalationsmaterial, zum Beispiel ein (Metall-) Oxid mit Schichtstruktur, wie Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NCM), umfassen.

Im Fall einer Lithium-Schwefel-Zelle kann die Kathode beispielsweise ein Umwandlungsmaterial, insbesondere Schwefel, umfassen. Durch die

Verwendung von Schwefel - anstelle der in Lithium-Ionen-Zellen üblicherweise verwendeten (Metall-)Oxide mit Schichtstruktur - als Kathodenmaterial, kann vorteilhafterweise die spezifische Kapazität und die spezifische Ladung deutlich erhöht werden.

Im Fall einer Lithium-Sauerstoff-Zelle kann die Kathode beispielsweise ein Umwandlungsmaterial, insbesondere Sauerstoff, umfassen. Durch die

Verwendung von Sauerstoff - anstelle der in Lithium-Ionen-Zellen üblicherweise verwendeten (Metall-)Oxide mit Schichtstruktur - als Kathodenmaterial, kann vorteilhafterweise die spezifische Kapazität und die spezifische Ladung deutlich erhöht werden. Die Anode kann weiterhin einen Anodenstromkollektor, zum Beispiel aus Kupfer, aufweisen.

Gegebenenfalls kann die Kathode einen Kathodenstromkollektor, zum Beispiel aus Aluminium, aufweisen.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lithium-Zelle und/oder Lithium-Batterie wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem

erfindungsgemäßen Silicium- Kohlenstoff- Komposit, dem erfindungsgemäßen Anodenmaterial sowie auf die Figuren und die Figurenbeschreibung verwiesen.

Zeichnungen Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung einer

Infiltration einer porösen Kohlenstoffmatrix durch Vakuumfiltration mittels einer Saugflasche; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines, gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Silicium-Kohlenstoff- Komposits beim Durchlaufen einer Volumenänderung des Siliciums während des Ladens und Entladens einer damit ausgestatteten Lithium- Zelle.

Im Rahmen der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform eines

erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst in einem Verfahrensschritt x) eine, insbesondere selbsttragende, poröse Kohlenstoffstruktur hergestellt. Dabei kann beispielsweise ein Trägersubstrat mit einer Schlämme aus Kohlenstoffpulver, mindestens einem kohlenstoffstrukturbindenden Binder und mindestens einem Beschichtungslösungsmittel unter Ausbildung einer Schicht beschichtet, die Schicht getrocknet und die getrocknete Schicht von dem Trägersubstrat abgelöst werden.

Figur 1 illustriert, dass dann in einem Verfahrensschritt a) die poröse

Kohlenstoffstruktur aus Verfahrensschritt x) mit Legierungsmaterialpartikeln, insbesondere Siliciumpartikeln, infiltriert wird. In einem Verfahrensschritt tl) kann die, mit den Partikeln infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur dann gegebenenfalls getrocknet werden. Optional kann dann in einem Verfahrensschritt al) die, mit Partikeln infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur, beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung, mit Kohlenstoff beschichtet werden, wobei sich auf den, in der porösen Kohlenstoffstruktur infiltrierten Partikeln eine

Kohlenstoffbeschichtung ausgebildet kann. Figur 1 zeigt, dass in einem Verfahrensschritt b) die, mit Partikeln infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur mit einem partikelbindenden Binder infiltriert wird. In einem Verfahrensschritt t2) kann die, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur dann gegebenenfalls getrocknet werden. Danach kann die, mit den Partikeln und dem Binder infiltrierte, poröse Kohlenstoffstruktur als Anodenmaterial zu einer Lithium-Zelle verbaut werden.

Figur 2 zeigt eine, mit einer Filterfritte beziehungsweise einem Trichter 20 ausgestattete Saugflasche 21 und veranschaulicht, dass - beispielsweise in Verfahrensschritt a) - eine selbsttragende, poröse Kohlenstoffstruktur 11 in die Filterfritte 20 eingelegt wurde. Figur 2 deutet an, dass in Verfahrensschritt a) dann Legierungsmaterialpartikel 12, insbesondere Siliciumpartikel, in Form einer Dispersion auf die poröse Kohlenstoffstruktur 11 in der Filterfritte

beziehungsweise dem Trichter 20 gegeben und die poröse Kohlenstoffstruktur 11 mittels eines, an die Saugflasche 21 angelegten Vakuums V mit den

Legierungsmaterialpartikel 12, insbesondere Siliciumpartikeln, infiltriert werden kann. Figur 2 deutet auch an, dass in Verfahrensschritt b) dann eine

binderhaltigen Lösung 13 auf die poröse Kohlenstoffstruktur 11 in der Filterfritte 20 gegeben und die poröse Kohlenstoffstruktur 11 mittels eines an die

Saugflasche 21 angelegten Vakuums V mit partikelbindendem Binder 13 infiltriert werden kann.

Figur 3 veranschaulicht schematisch einen, gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Silicium- Kohlenstoff- Komposit 10 in Form einer, mit Siliciumpartikeln 12 und einem partikelbindenden Binder 13 infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur 11. Figur 3 zeigt, dass dabei die

Siliciumpartikel 12 zusammen mit dem partikelbindenden Binder 13 in einer übergeordneten, dreidimensionalen, stabilen Kohlenstoffmatrix 11 inkorporiert sind, welche durch die poröse Kohlenstoffstruktur 11 ausgebildet wird. Figur 3 illustriert zudem, dass dabei der Silicium- Kohlenstoff- Komposit 10 in Form der, mit Siliciumpartikeln 12 und partikelbindendem Binder 13 infiltrierten, porösen Kohlenstoffstruktur 11 an einem Stromkollektor 30 anliegt. Figur 3 veranschaulicht, dass die Siliciumpartikel 12 während des Ladens (1. Pfeil) und Entladens (2. Pfeil) einer damit ausgestatteten Lithium-Zelle eine starke Volumenänderung durchlaufen. Figur 3 deutet an, dass sich dabei das Volumen der Siliciumpartikel 12 während des Ladens um etwa 300 % vergrößert und während des Entladens wieder um etwa 300 % verkleinert.

Figur 3 veranschaulicht, dass die Siliciumpartikel 12 nach dem Entladen aufgrund der Infiltration in der dreidimensionalen, übergeordneten, stabilen, porösen Kohlenstoffstruktur 11 in elektrischem Kontakt mit dem Stromableiter 30 bleiben, da die Inkorporation in die poröse Kohlenstoffstruktur 11 ein Ablösen von

Siliciumpartikel 12 verhindert und damit ein Verlust der elektrischen

Kontaktierung von Siliciumpartikel 12 nach dem Entladen vermieden werden kann.