Untersuchung von siliciumbasierten Anodenmaterialien für Lithium-Ionen Batterien mit elektrochemischer Impedanzspektroskopie

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss der Zusammensetzung mehrerer Siliciumkomposite auf den Ohm‘schen Widerstand, den Ladungsdurchtritt durch die SEI, den Ladungsübergang in das Komposit und die Diffusion in demselben untersucht. Das Siliciumkomposit besteht dabei aus folgenden Bestandteilen: Silicium (Si), Siliciumdioxid (SiO2) und Ferrosilicium (FeSi2). Für diese Untersuchung wurden die elektrochemische Impedanzspektroskopie und ein vereinfachtes Batteriemodell verwendet. Die Untersuchung hat dabei ergeben, dass das FeSi2 einen positiven Effekt auf die Leitfähigkeit des Systems haben kann. Zusätzlich ließ sich auch ein positiver Einfluss des SiO2 auf den Ladungsübergang und die Diffusion feststellen. Dieser könnte sich mit den Eigenschaften eines oder mehrerer vorhandener Silikate erklären lassen. Üblicherweise wird hier vom im ersten Zyklus gebildeten irreversiblen Li4SiO4 ausgegangen. Jedoch lässt sich auch ein Einfluss der Zusammensetzung auf die oben genannten Eigenschaften und Prozesse beobachten. Dieser scheint sehr komplex zu sein und somit ließ dieser keine Systematik erkennen. So scheint beispielsweise ein hoher FeSi2-Anteil und somit eine gute Leitfähigkeit auch einen positiven Effekt auf den Ladungsübergang und die Diffusion während der Lithiierung zu haben. Weiterhin auffällig war das teilweise unterschiedliche qualitative und quantitative Verhalten eines Komposits zwischen Lithiierung und Delithiierung. Zusätzlich zu der zuvor genannten Methode wurde eine Zyklovoltammetrie bei verschiedenen Vorschubraten durchgeführt. Dabei ließen sich drei Reduktions- und drei Oxidationspeaks für alle Komposite und Vorschubraten beobachten, von denen jeweils zwei den Teilschritten bei der Bildung und beim Zerfall der Si-Li-Legierung zugeordnet werden könnten. Die zwei weiteren Peaks konnten dabei im Rahmen dieser Arbeit nicht zugeordnet werden.