Kohlenstoff-Silicium-Kompositwerkstoffe als Anodenmaterialien für Lithiumionenbatterien

Titelangaben

Mees, Karina:
Kohlenstoff-Silicium-Kompositwerkstoffe als Anodenmaterialien für Lithiumionenbatterien.
Bayreuth , 2016 . - VI, 167 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Die vorliegende Arbeit umfasst vergleichende Untersuchungen zum Einfluss der dreidimensionalen Struktur von Kohlenstoff-Silicium-Kompositelektroden sowie der Oberflächenzusammensetzung siliciumhaltiger Aktivmaterialien und Elektroden auf deren Funktionalität als Lithiumionenbatterieanoden. Ziel ist es, daraus Rückschlüsse für die verbesserte Nutzbarkeit von Silicium als Anodenmaterial abzuleiten. Dazu werden einerseits Kohlenstoff-Silicium-Komposite durch Gasphasenabscheidung von Silicium auf partikulären und selbsttragenden Kohlenstoffsubstraten hergestellt. Um den Einfluss der hierarchischen Elektrodenstruktur auf die elektrochemischen Eigenschaften der Kompositmaterialien zu untersuchen, wird die Komplexität der hierarchischen Substratstrukturen mithilfe verschiedener verfahrenstechnischer Ansätze gezielt modifiziert. Außerdem wird die Konnektivität der Komponenten innerhalb der Elektrode untersucht. Andererseits werden siliciumhaltige partikuläre Aktivmaterialien durch Aufbringung einer ex situ erzeugten "künstlichen SEI (solid electrolyte interphase)" funktionalisiert, um deren Grenzflächeneigenschaften zu optimieren. Dadurch sollen der Ladungsaustausch an der Aktivmaterialoberfläche verbessert und der irreversible Kapazitätsverlust aufgrund von SEI-Bildung reduziert werden. Die synthetisierten Materialien werden mithilfe elektrochemischer und materialwissenschaftlicher Methoden charakterisiert. Ausgehend von den erzielten Ergebnissen werden Degradationsmechanismen der untersuchten Kohlenstoff-Silicium-Komposite abgeleitet und Schlussfolgerungen für eine optimierte Kompositstruktur vorgestellt.

Abstract in weiterer Sprache

The present thesis comprises investigations comparing the influence of carbon-silicon composite electrodes with different three dimensional structure as well as the surface composition of silicon containing active materials and electrodes regarding their functionality as anodes for lithium ion batteries. It is the aim to draw conclusions about improving the usability of silicon as anode material from these investigations. On one hand carbon-silicon composites are produced by chemical vapor deposition of silicon on carbon substrates. In order to investigate the influence of the hierarchical electrode structure on the electrochemical properties of the composite materials, a targeted modification of the complexity of the substrates’ hierarchical structure is carried out with the help of different processing approaches. In addition, connectivity of the components present within the electrode is investigated. On the other hand silicon containing active materials are functionalized by means of an ex situ produced "artificial SEI (solid electrolyte interphase)" for optimizing their interface properties. This aims at improving charge transfer at the active material surface and reducing the irreversible capacity loss derived from SEI formation. The synthesized materials are characterized with the help of electrochemical methods and material analysis. Degradation mechanisms are deduced from the results achieved within this work and conclusions for an optimized composite structure are presented.