Realizing high-performance silicon-based lithium-ion batteries

Aupperle, Felix; Figgemeier, Egbert (Thesis advisor); Rensmo, Håkan (Thesis advisor)

Aachen : ISEA (2021, 2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Beiträge des ISEA 161
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Bei der Suche nach einer hochleistungsfähigen Lithium-Ionen-Batterie (LIB) der nächsten Generation spielt das Anodenmaterial eine Schlüsselrolle. Insbesondere Materialien, die mit Lithium (Li) eine Legierung bilden, sind sehr vielversprechend und stehen im Fokus von Industrie und Wissenschaft. Hier sticht Silizium (Si) durch seine höhere theoretische Kapazität im Vergleich zu den gängigen Elektrodenmaterialien wie Graphit (Gr) hervor. Trotz der Vorteile wie ein geringes Betriebspotenzial, große Vorkommen auf der Erde, niedrige Kosten und keine Toxizität verzögert sich seine großtechnische Vermarktung noch. Das Hauptproblem besteht darin, dass Si während des (De-)Legierungsprozesses eine enorme Volumenveränderung erfährt, was zu einer geringen Zyklusleistung und einem niedrigen Coulomb-Wirkungsgrad (CE) führt, der auf eine instabile Solid Electrolyte Interphase (SEI) zurückzuführen ist. Zur Überwindung dieser Probleme hat sich herausgestellt, dass die Zugabe von Elektrolytadditiven zum Hauptelektrolytsystem der wirtschaftlichste, effektivste und skalierbarste Ansatz ist. In diesem Zusammenhang befasst sich diese Arbeit mit der Untersuchung von Hochleistungs-LIBs durch die Kopplung von Si-basierten LIBs mit neuartigen Elektrolytformulierungen. Der erste Teil der Arbeit legt den Fokus auf die elektrochemische Leistungsfähigkeit von Pouch-Zellen, die aus R&D Elektrodenmaterialien (zwei verschiedenen Si-basierten sowie einem Gr-basierten Anodenmaterial) bestehen. Dabei wurden das Elektrolytsystem, die Abschaltspannung und die Temperatur variiert und die besten Zellen einer Post-Mortem-Analyse unterzogen. Neben den elektrischen Zyklusdaten wurden auch lasermikroskopische Bilder verwendet, um diese zu vergleichen und zu bewerten. Im zweiten Teil wurden diese Zellen in Knopfzellen nachgebaut und die daraus entnommenen Anoden- und Kathodenelektroden mittels X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysiert. Diese Analyse half, den Einfluss der Elektrolytzusätze auf die chemische Beschaffenheit der Elektroden/Elektrolyt-Grenzfläche (EEI) zu erklären und lieferte eine Erklärung für die elektrochemischen Leistungsunterschiede. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass der Zusatz von (2-Cyanoethyl)triethoxysilan (TEOSCN) zum Elektrolytsystem eine chemisch und mechanisch stabile Passivierungsschicht auf beiden Elektroden bildet. Der dritte Teil bietet zusätzliche Einblicke in die Grenzflächenchemie und die thermische Reaktivität verschiedener SEI-Schichten auf Si-basierten Anoden mittels XPS, Differential Scanning Calorimetry (DSC) und Density Functional Theory (DFT) Untersuchungen; und auch hier konnte gezeigt werden, dass der Elektrolytzusatz TEOSCN in der Lage ist, eine chemisch, mechanisch und thermisch stabilere SEI-Schicht auf einer Si-basierten Anode zu bilden. Insgesamt zeigt diese Arbeit, wie die Realisierung von hochleistungsfähigen Si-basierten LIBs durch gezielt entwickelte Elektrolytadditive angegangen werden kann. Dabei gibt die Arbeit einen direkten Einblick in die Zellchemie sowie in die direkte praktische Umsetzung in industrienahen Pouch-Zellen.

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