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Silicium-basierte Nanokomposite als Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Kummer, Malin

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von zwei auf Siliciumnanopartikeln basierenden Komposittypen, die als neuartige Ano-denmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien getestet wurden. Ziel war es, eine höhere Kapazität bzw. Energiedichte gegenüber herkömmlichen Materialien zu erzielen. Auf Grund seiner hohen Kapazität für die Aufnahme von Lithium-Ionen ist Silicium das vielversprechendste Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Mit der hohen Kapa-zi¬tät ist jedoch eine Herausforderung verbunden, die durch eine große Volumen-ausdehnung von bis zu 300% während des Lade- bzw. Entladevorgangs hervorgeru-fen wird. Durch diese mechanische Belastung kann es zum Zerfall der Elektrode kom-men, woraus ein schlechtes Zyklenlverhalten resultiert. Um das Zyklenverhalten zu verbessern und gleichzeitig eine hohe Kapazität beizubehalten, wird zum einen Silici-um in Form von Nanopartikeln benötigt, die zum anderen langzeitstabil kontaktiert wer-den müssen. In dieser Arbeit wurden Siliciumnanopartikel in zwei unterschiedliche Matrix¬materialien eingearbeitet, die die Expansion puffern bzw. verringern und gleich-zeitig durch ihre Leitfähigkeit den Elektronentransport innerhalb der Elektrode gewähr-leisten sollen. Zum einen handelt es sich dabei um ein Si/C-Komposit, das sich dadurch auszeichnet, dass es eine poröse Kohlenstoffmatrix beinhaltet. Zum anderen wurden Si/PANI-Kom-po¬site hergestellt und untersucht, bei denen Polyanilin als leitfähiges Polymer die elektrische Anbindung der Partikel gewährleisten soll. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass im Fall des Si/C-Komposits eine poröse Kohlenstoffstruktur synthetisiert werden konnte, in der die Siliciumnanopartikel ein-geschlossen vorliegen. Die Charakterisierung der Si/PANI-Komposite beweist, dass es im Fall des Komposits mit hohem Polymeranteil möglich war, die Siliciumnanopartikel homogen mit Polyanilin zu ummanteln. Alle Komposite wiesen bei elektrochemischen Untersuchungen eine höhere Kapazität als herkömmliche Anodenmaterialien und ein deutlich verbessertes Zyklenverhalten gegenüber puren Siliciumnanopartikeln auf.

This thesis comprises the synthesis and characterization of two composite types based on silicon nanoparticles which were tested as new anode materials for lithium-ion bat-teries. It was intended to achieve a higher capacity or rather a higher energy density compared to other conventionally used anode materials. Due to its high lithium storage capacity, silicon is a promising anode material for lithi-um-ion batteries. This high specific capacity is associated with a challenge which origi-nates from a high volume expansion of about 300% during lithiation and delithiation that may lead to mechanical disintegration of the electrode and poor cycle life. To im-prove the cycling behavior and maintain a high capacity simultaneously, firstly silicon in form of nanoparticles is needed, that is secondly electrically connected with long-term stability. In this thesis, silicon nanoparticles were combined with two different ma-trix materials that should buffer or limit the expansion while ensuring electron transport in the electrode by their own conductivity. On the one hand a Si/C composite that is characterized by a porous carbon matrix was manufactured. On the other hand two Si/PANI composites were prepared and ana-lyzed, in which polyaniline as a conducting polymer should ensure the electrical con-nection of the particles. In case of the Si/C composite the results show that a porous carbon matrix imbedding silicon nanoparticles could be obtained. Regarding the Si/PANI composite measure-ments exhibit a homogenous polymer coating on the silicon nanoparticles in case of the composite with a high amount of polyaniline. During electrochemical testing all composites show not only a higher capacity than traditionally used anode materials but also a significantly improved cycling behavior compared to pure silicon nano¬particles.

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Kummer, Malin: Silicium-basierte Nanokomposite als Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. 2016.

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