Funktionalisierte Silizium-Kohlenstoff-Komposite und vernetzte Bindersysteme für Anoden in Lithium-Ionen-Batterien

Das derzeit in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien genutzte Anodenmaterial Graphit kann die steigenden Anforderungen in mobilen Anwendungen aufgrund der moderaten theoretischen Kapazität und steigender Sicherheitsrisiken nicht mehr erfüllen. Um die gravimetrische Energiedichte und die Reichweite zu erhöhen, hat sich Silizium als eines der vielversprechendsten Anodenmaterialien für zukünftige Lithium-Ionen-Batterien herausgestellt, da es die zehnfache theoretische Kapazität und auch ein geeignetes Arbeitspotential mitbringt. Dem steht jedoch eine starke Volumenausdehnung während der Lithiierung gegenüber, die zu einem Verlust der Elektrodenintegrität, Pulverisierung des Aktivmaterials und damit zu einem schnellen Versagen der Elektrode führt. In der vorliegenden Dissertation wurde das Konzept eines Si@C-Kern-Hülle-Komposits genauer untersucht, sowie der Einfluss unterschiedlicher Si-Oberflächen auf die strukturellen und elektrochemischen Eigenschaften eines solchen Komposits ermittelt. Dabei wurde auch eine Anode mit einem hohen Si-Anteil von 60 % auf Basis eines neuen Si@C-Kern-Hülle-Komposits synthetisiert und evaluiert. Die Synthese neuartiger Bindersysteme steht ebenfalls derzeit im Fokus der Forschung, um Silizium als Anodenmaterial kommerziell nutzbar zu machen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein vernetztes Bindersystem für Silizium/Graphit-Kompositanoden entwickelt, das die spezifische Kapazität und die Coulomb-Effizienz der Anode im Vergleich zum Referenzsystem deutlich erhöhen konnte.