Untersuchung siliciumhaltiger Anoden für die Anwendung in Hochenergie-Lithium-Ionen-Batterien

Für die Automobilindustrie ist speziell die volumetrische Energiedichte von Bedeutung, welche neben einer Optimierung des Zelldesigns insbesondere durch Implementierung neuer Aktivmaterialien für die positive Elektrode bzw. die negative Elektrode gesteigert werden kann. Mit einer verhältnismäßig niedrigen Lithiierungsspannung vs. Li/Li+ und einer gegenüber kommerziell eingesetztem Graphit (C, 372 mAh/g) um den Faktor 10 höheren spezifischen Kapazität, ist Silicium (Si) eine vielversprechende Alternative, um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batteriezellen deutlich zu steigern. Die Herausforderungen bei der Kommerzialisierung siliciumhaltiger Anoden mit Si-Gewichtsanteilen von über 5 wt% gehen auf die enorme Volumenänderung der Si-Partikel um 280 % während der Lithiierung und Delithiierung zurück. Trotz diverser Ansätze, ist über einen Zeitraum von über 20 Jahren kein nennenswerter Durchbruch erzielt worden. In dieser Arbeit wird ein Grundverständnis für die Abhängigkeit der Lithiierungskinetik und der Lebensdauer von den verschiedenen Materialcharakteristika, vom Si-Gehalt, dem Ausnutzungsgrad des Siliciums und der Flächenkapazität abgeleitet. Ausgehend von diesen Erkenntnissen werden neue Optimierungsansätze erschlossen und deren Effekte auf die Degradation der siliciumhaltigen Anoden untersucht. Es wird ein neuartiges Bindersystem vorgestellt, welches nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Elektroden deutlich verbessert, sondern auch die Lebensdauer signifikant erhöht. Das innovative dreidimensionale Bindernetzwerk umschließt die Si-Partikel, reduziert die irreversible Verformung der Elektroden und beeinflusst damit die Performance siliciumhaltiger Anoden positiv. Des Weiteren werden verschiedene Methoden zur Modifikation der Grenzflächeneigenschaften und Generierung einer „artificial SEI“ (Solid Electrolyte Interphase) bewertet. Neben der Untersuchung von Kombinationen vielversprechender Additive wird ein Protokoll für eine vorgeschaltete Formierung entwickelt und Partikel sowie Elektroden mittels ALD-Verfahren beschichtet. Es kann gezeigt werden, dass die Präformierung nicht nur die irreversible Kapazität, sondern auch die Formierungszeit deutlich reduziert, während die ALD-Beschichtung über großes Potential zur Verbesserung der Lebensdauer und der Lithiierungskinetik verfügt und die elementare Wichtigkeit einer stabilen SEI für die andauernde Funktion der Zelle unterstreicht.