In-situ Untersuchungen von Graphit- und Siliziumanoden für Lithiumionenbatterien, mittels elektrochemischer Rasterkraftmikroskopie

  • In-situ investigation of graphite and silicon anodes for lithium ion batteries, using electrochemical atomic force microscopy

Benning, Svenja; Hausen, Florian (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Lithiumionenbatterien sind weiterhin die führende Technik in der Anwendung der transportablen Energie. Aktuell überwiegt Graphit als Anodenmaterial, doch für zukünftige Batterien mit erhöhten Ladungsdichten ist Silizium ein vielversprechendes Elektrodenmaterial. In dieser Arbeit werden die Elektroden HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) und polykristallines Dünnschicht-Silizium, mittels hochauflösender elektrochemischer Rasterkraftmikroskopie in-situ, während der ersten (Ent-) Ladungen analysiert. Dabei ist insbesondere die simultane Betrachtung der elektrochemischen, topografischen und mechanischen Eigenschaften der Elektrodenoberflächen auf kleinster Skala ausschlagegebend für die Interpretation der Ergebnisse. Der Fokus dieser Arbeit liegt erstens in der Untersuchung der Entstehung der initialen SEI-Schicht (Solid-Electrolyte-Interface), damit einhergehend die Betrachtung der innere und äußere SEI, und zweitens auf der (De-) Lithiierung in den ersten Zyklen. Die Ergebnisse der simultan gewonnenen mechanischen und topografischen Befunde der Graphit Elektrode weisen auf, dass die irreversible Interkalation von solvatisierten Lithiumionen und Elektrolytmolekülen vor der Ausbildung der vollständigen, inneren SEI-Schicht erfolgt. Lokale und globale Unterschiede im Lithiierungsverhalten der Elektrode werden auf die ungleichmäßige Defektstruktur der Elektrodenoberfläche zurückgeführt und unterstützen die Interpretation der Koexistenz verschiedener Lithiierungsphasen. Die genaue Analyse der elektrochemischen Daten und der Elektrodentopografie bestätigt diese divergente Lithiierung, welche angelehnt an bekannte Modelle eingehend diskutiert wird. In den Untersuchungen der polykristallinen Dünnschicht-Silizium-Elektrode konnte, anhand der Änderungen der Oberflächensteifigkeit als Funktion des Elektrodenpotentials, bestimmt werden, dass die anfängliche innere SEI im ersten Zyklus der Elektrode vorwiegend zwischen den Partikeln der Oberfläche gebildet wird. Mit den Ergebnissen der ionischen Leitfähigkeitsmessung, in Korrelation mit den mechanischen und topografischen Eigenschaften der Oberfläche, wird diskutiert, dass Lithium-Transportkanäle in den ursprünglichen Zwischenräumen der Elektrode ausgebildet werden, welche die weiter (De-) Lithiierung ermöglichen. Zwei Modelle für die anfängliche SEI-Entstehung, sowie die Lithiierung konnten anhand der Ergebnisse dieser Arbeit entwickelt werden, für die polykristalline Dünnschicht-Silizium-Elektrode und auch für die HOPG-Elektrode. Die Resultate und Schlussfolgerungen tragen zu einem erweiterten Verständnis wichtiger Anodenmaterialien für Lithiumionenbatterien bei und unterstützen zukünftige Untersuchungen. Die vorliegende Arbeit unterstreicht, dass die Prozesse der SEI-Entstehung und der anfänglichen Lithiierung von Anodenmaterialen für weitere Modelle und Analysen nicht getrennt voneinander betrachtet werden können, um ein ganzheitliches Verständnis der Vorgänge der Elektroden während der initialen (Ent-) Ladevorgänge zu erlangen.

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