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Untersuchung von innovativen Silicium-Kohlenstoff-Komposit-Anoden für Lithium-Ionen-Batterien

Dobrowolny, Sascha

Lithium-Ionen-Batterien stellen im Hinblick auf eine der Herausforderungen des 21. Jahrhunderts, nämlich die Speicherung und Bereitstellung von Energie auf effiziente, kostengünstige und umweltschonende Art und Weise, eine wichtige Komponente dar. Um die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu erhöhen, kann insbesondere konventioneller Graphit durch Lithium-Metall-Legierungen anodenseitig substituiert werden, wodurch die spezifische Kapazität der Anode gesteigert wird. Ein aussichtsreicher Kandidat dafür ist das Element Silicium. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung von Siliciumelektroden für Lithium-Ionen-Batterien und der Untersuchung des Einflusses der Elektrodenstruktur auf das elektrochemische Verhalten dieser Elektroden. Mit Hilfe verschiedener analytischer Messmethoden werden Einflussfaktoren, wie die Elektrodenzusammensetzung, die Art des Binderpolymers, die Modifikation der SEI (Solid Electrolyte Interphase), die elektrochemischen Rahmenbedingungen sowie die Modifikation des Aktivmaterials auf die Elektrodenstruktur untersucht und diskutiert. Dazu werden verschiedene Silicium-basierte Aktivmaterialien vorgestellt und eingesetzt. Der Fokus liegt hierbei vornehmlich auf der ionischen und elektrischen Anbindung des Aktivmaterials innerhalb der Elektrodenstruktur sowie der mechanischen Stabilität und dem Degradationsverhalten der gesamten Elektrodenstruktur. Die Erkenntnisse dienen dazu eine Siliciumelektrode zu entwickeln, die eine hohe spezifische Kapazität und hohe Zyklenbeständigkeit aufweist. Diese Siliciumanode bildet in Kombination mit einer Lithiumeisenphosphat-Kathode sodann eine Grundlage zur Untersuchung verschiedener Betriebsweisen von Silicium-Kohlenstoff-Komposit-Lithiumeisenphosphat- Vollzellen. Es wird unter identischen Versuchsbedingungen demonstriert, inwieweit die Energiedichte einer Lithium-Ionen-Batterie durch Substitution von konventionellem Graphit durch Silicium gesteigert werden kann.

With respect to one important challenge of the 21st century, in particular, storage and supply of energy in an economic, efficient and environmentally friendly manner, lithiumion batteries represent one of the most promising candidates. In order to achieve a further increase in the energy density of lithium-ion batteries, conventional graphite can be replaced by lithium-metal alloys on the anode side due to increase the specific capacity of the anode. For this, the element silicon is a promising candidate. The present work deals with the development of silicon-based electrodes for lithium-ion batteries and the investigation of the influence of the electrode structure on the electrochemical behavior of these electrodes. Influencing factors such as electrode composition, type of the binder polymer, modification of the solid electrolyte interphase, electrochemical operating parameters as well as the modification of the active material are investigated and discussed using different analytical methods. For this purpose, various types of silicon-based active materials are introduced. The main focus is concerned with the ionic and electrical connection of the active material within the electrode structure as well as the mechanical stability and the degradation behavior of the entire electrode structure. The gained knowledge is used to develop a silicon anode, that exhibit a high specific capacity and a high cycling capability. This silicon anode is combined with a lithium iron phosphate-based cathode in full cells, which are served to investigate reliable operating modes. It is demonstrated under identical experimental conditions, that the energy density of lithium-ion batteries can be increased through the substitution of conventional graphite by silicon.

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Dobrowolny, Sascha: Untersuchung von innovativen Silicium-Kohlenstoff-Komposit-Anoden für Lithium-Ionen-Batterien. 2017.

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