Entwicklung von Silicium-basierten Anodenaktivmaterialien für Lithium-Ionen-basierte Batterien

Die Promotion beschäftigt sich mit der Entwicklung und Evaluation von Silicium-Kohlenstoff-Kompositen (Si/C) als Anodenaktivmaterialien für Batteriezellen mit flüssigen und festen Elektrolyten. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Kapazität gelten Si/C-Komposite als vielversprechender Ansatz zur Steigerung der Energiedichte von Lithium-Ionen-basierten Batterien. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur quantitativen Bestimmung des nicht mit Kohlenstoff ummantelten Siliciumanteils entwickelt. Die Untersuchungen zeigen, dass eine zweistufige Kohlenstoffummantelung zu einer vollständigen Einbettung des Siliciums, einer höheren elektrischen Leitfähigkeit und einer Verdopplung der Zyklenstabilität führt. Darüber hinaus werden Degradationsmechanismen auf Partikel- und Elektrodenebene analysiert. Mechanische Spannungen durch Volumenänderungen verursachen Kontaktverluste und Strukturbrüche. Durch Kohlenstoffnanoröhren als Leitadditiv sowie hohlraumstrukturierte Komposite kann die mechanische Integrität erhöht und die Zyklenstabilität signifikant verbessert werden. Mikroskopische post-mortem Analysen bestätigen diese Ergebnisse. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Integration von Silicium-Anoden in Festkörperbatterien. Dabei können sowohl Silicium-Feststoffelektrolyt-Anoden als auch Feststoffelektrolyt-freie Anoden erfolgreich prozessiert werden. Letztere bieten neben höherer Energiedichte auch Vorteile in der Elektrodenfertigung durch vereinfachte Prozessierung. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass die entwickelten Material- und Prozessstrategien wesentliche Fortschritte für die Kommerzialisierung Silicium-basierter Anoden ermöglichen.