Mesoporöse Siliziumschichten als Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien: Syntheserouten und Charakterisierung

Viele technische Bereiche, wie zum Beispiel die Elektromobilität, die regenerativen Energien oder die persönliche Elektronik, sind durch die heutige Energiespeichertechnolgie vor allem in Bezug auf die Speicherkapazität limitiert. Aus diesem Grund stellt die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien zur Energiespeicherung eine zentrale Aufgabe der heutigen Elektrochemie dar.

Auf der Suche nach alternativen Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien stellen Legierungsbildner, wie Zinn oder Silizium, aufgrund ihrer hohen Kapazität eine vielversprechende Alternative dar. Jedoch zeigen diese Materialien während der Beladung eine hohe Volumenzunahme von bis zu 400%, welche zu hohen mechanischen Belastungen im Material führt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden mesoporöse Siliziumstrukturen elektrochemisch hergestellt und auf ihre Eignung als Anodenmaterial hin untersucht. Dabei werden für drei verschiedene Herstellungsprozesse Untersuchungen zur makroskopischen und mikroskopischen Struktur, z.B. mittels Rasterelektronenmikroskopie und Ellipsometrie, durchgeführt.

Die elektrochemischen Charaktersierungen zeigen mögliche Ladeparameter und eine hohe Stabilität des Materials für mehr als 355 Zyklen bei einer Kapazität von über 730 mAh/g. Zusätzlich wird aus diesen Untersuchungen ein Modell abgeleitet, welches die ablaufenden Prozesse in Verbindung mit der Bruchspannung des porösen Siliziums und der Adhäsionskraft zwischen dem Aktivmaterial und dem Stromsammler bringt.

Abschließend wird die Veränderung der Kristallstruktur des Anodenmaterials während der Beladung untersucht und dabei eine vollständige Amorphisierung des Materials im ersten Beladungszyklus nachgewiesen.