Electrochemical synthesis of silicon-based materials and their evaluation as anodes for lithium-ion batteries (LiBs)

Elsayed, Adel GND

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind derzeit die leistungsstärkste Energieversorgung für tragbare elektronische Geräte. Silizium ist ein vielversprechendes Anodenmaterial für LIBs mit theoretischen Kapazitäten von bis zu 4200 mAh/g. Der Kommerzialisierung von Silizium als Anode in LIBs steht jedoch seine schlechte Zyklenstabilität entgegen. Die vorliegende Doktor-Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese von Si-Verbindungen (SixGe1-x, SixGe1-xAly) und dünnen Schichten aus Si-Verbundstoffen (Si-reduziertem Graphenoxid, Si-rGO) als Anodenmaterialien, die durch gepulste-Elektroabscheidung (pulsed electrodeposition, PED) hergestellt wurden. Blanke Si-Filme wurden durch gepulste potentiostatische Elektroabscheidung in 1-Butyl-1-methyl-pyrrolidinium bis(trifluormethylsulfonyl)- imid ([BMP]TFSI), bei verschiedenen Werten des Arbeitszyklus (50%, 25%, 16% und 6%) hergestellt. Die XPS-Analyse der auf Si-Anoden gebildeten Solid-electrolyte interface (SEI) in LiTFSI/[BMP]TFSI zeigte stabile anorganische Verbindungen. Filme aus SixGe1-x-Verbindungen (x = 0,3, 0,6, 0,7, 0,9), die durch gepulste potentiostatische Elektroabscheidung in 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium bis (trifluormethylsulfonyl)imid ([EMIm]TFSI) hergestellt wurden, zeigten vielversprechende Zyklenstabilität und höhere gravimetrische Kapazität im Vergleich zu blanken Si-Anodenfilmen, möglicherweise aufgrund der Verstärkung sowohl der elektrischen Leitfähigkeit als auch der Li-Diffusion. Si0,6Ge0,4 führt zu der höchsten gravimetrischen Kapazität bei verbesserter Zyklenstabilität. Si0,7Ge0,3 zeigte die höchsten Flächenkapazitätswerte von etwa 0,14 mAh/cm². Si0,9Ge0,1 zeigte eine Zyklusleistung ähnlich wie Silizium. Für einen ~400 nm-dicken Si0,95Ge0,05-Anodenfilm wurde eine recht gute Zyklisierbarkeit mit gravimetrischen Kapazitätswerten von etwa 900 mAh/g bei einem Zyklus bei 41,5 C (128.5 A/g) erhalten, was es für Mikrobatterieanwendungen interessant macht. Durch gepulste potentiostatische Elektroabscheidung in [BMP]TFSI hergestelltes Si0,35Ge0,45Al0,2 zeigte eine hohe Flächenkapazität von etwa 0,4 mAh/cm², wenn es bei einer Stromdichte von 0,8 A/g bei guter Zyklusstabilität und guter Zyklisierbarkeit mit Si und SixGe1-x verglichen wurde. EIS-Untersuchungen legen die Aktivierung und/oder Modifikation von SixGe1-xAly beim Zyklisieren nahe. Die XPS-Analyse der auf Si0.35Ge0.45Al0.2 gebildeten SEI zeigte LiF zusätzlich zu AlOx und LiAlHx/LiAlClx/LiAlFx, von denen berichtet wurde, dass sie die Integrität der Grenzflächenschicht schützen und verbessern. Si-reduziertes Graphenoxid (Si-rGO), das durch sequentielle, gepulste Elektroabscheidung in [BMP]TFSI hergestellt wurde, zeigte im Vergleich zu anderen getesteten Filmen eine hohe elektrochemische Leistung, was zu gravimetrischen Kapazitäten von über 1200 mAh/g mit Flächenkapazitätswerten von etwa 0,25 führte mAh/cm², bei einer Stromdichte von 600 mA/g. EIS-Untersuchungen für Si-rGO legen nahe, dass die Verbundanode beim Zyklisieren kinetische Verstärkungs-, Aktivierungs- und/oder Modifizierungsprozesse zeigt. Die XPS-Analyse für die SEI zeigte LiF, Li2O/Li2CO3, CFx, LiS/SiS und CF3SO2Li an.

Lithium-ion batteries (LIBs) are currently the most powerful energy supply for portable electronic devices. Silicon is a promising anode material for LIBs with theoretical capacities of up to 4200 mAh/g. The present thesis deals with the synthesis of Si-compounds (SixGe1-xAly, SixGe1-x) and Si-composite (Si-reduced graphene oxide, Si-rGO) thin films as anode materials that were prepared by pulsed-electrodeposition (PED). Bare Si films were prepared by potentiostatic pulsed-electrodeposition in [BMP]TFSI at different duty cycle values (50%, 25%, 16% and 6%). XPS analysis for the SEI formed on Si anodes in LiTFSI/[BMP]TFSI revealed stable inorganic compounds. SixGe1-x compound-films (x= 0.3, 0.6, 0.7, 0.9) prepared by potentiostatic pulsed-electrodeposition in [EMIm]TFSI exhibited promising cycling stability and higher gravimetric capacity compared to bare Si anode-films, possibly due to the enhancement in both electrical conductivity and Li diffusion. Si0.6Ge0.4 leads to the highest gravimetric capacity with improved cycling stability. Si0.7Ge0.3 showed the highest areal capacity values of around 0.14 mAh/cm2. Si0.9Ge0.1 displayed a cycling performance similar to silicon. For ~400 nm-thick Si0.95Ge0.05 anode-film, quite a good rate-capability with gravimetric capacity values of around 900 mAh/g when cycled at 41.5 C-rate (128.5 A/g) were obtained, making it interesting for micro-battery applications. Si0.35Ge0.45Al0.2 prepared by potentiostatic pulsed-electrodeposition in [BMP]TFSI, displayed a high areal capacity of about 0.4 mAh/cm2 when cycled at a current density of 0.8 A/g with good cycling stability and good rate capability compared to Si and SixGe1-x. EIS studies suggest the activation and/or modification of SixGe1-xAly upon cycling. XPS analysis of the SEI formed on Si0.35Ge0.45Al0.2 showed LiF in addition to AlOx and LiAlHx /LiAlClx/LiAlFx which were reported to buffer, protect and improve the integrity of the interfacial layer. Si-reduced graphene oxide (Si-rGO), prepared by sequential pulsed-electrodeposition in [BMP]TFSI displayed a high electrochemical performance compared to other tested films, resulting in gravimetric capacities of above 1200 mAh/g with areal capacity values of around 0.25 mAh/cm2 when cycled at a current density of 600 mA/g. EIS studies for Si-rGO suggest that the composite anode exhibits kinetic enhancement and activation/modification processes upon cycling. XPS analysis for the SEI indicated LiF, Li2O/Li2CO3, CFx, LiS/SiS and CF3SO2Li.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Elsayed, Adel: Electrochemical synthesis of silicon-based materials and their evaluation as anodes for lithium-ion batteries (LiBs). 2019.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export