Nanocomposites as anode materials for lithium ion batteries: Synthesis, thermodynamic characterization and modeling of nanoparticular silicon dispersed in SiCN(O) and SiCO-based matrices

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Dr. Magdalena Graczyk-Zajac; Professor Dr. Hans Jürgen Seifert
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 180022430

Ziel ist die Entwicklung neuartiger Anodenmaterialien bestehend aus nanoskaligem Silicium oder Zinn dispergiert in keramischen polymer-abgeleiteten Silicium-Carbonitriden (SiCN) und Silicium-Oxycarbiden (SiOC). Während der ersten Förderperiode wurden verschiedene Synthesemethoden zur Herstellung optimierter Keramiken untersucht und strukturelle, thermodynamische und elektrochemische Eigenschaften von Si/SiCN and Si/SiOC Kompositen charakterisiert. Weiter wurden mit Hilfe von First-Principles-Rechnungen thermomechanische Eigenschaften von amorphem SiOC bestimmt und die Einlagerung von Li in Si studiert. Aufbauend auf der Tatsache, dass amorphes Si und kohlenstoffreiche Keramiken die vielversprechendsten Eigenschaften aufweisen, soll nun der Schwerpunkt auf die Optimierung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit von nanoamorphem Si in kohlenstoffreichen Keramiken gelegt werden. Gleichzeitig werden auch Komposite mit nanoskaligem Zinn unter. Im Detail stehen folgende Punkte im Zentrum des Interesses: Eine homogene Verteilung der Nanoteilchen soll durch neue Synthesestragien erreicht werden, wie z.B. durch einen Single-Source-Precursor Ansatz oder durch Imprägnierung poröser Keramikmatrices. Mechanismen, die zur Steigerung der Kapazität und Zyklenstabilität führen, werden durch Analyse der chemischen Zusammensetzung, der lokalen Festkörperstruktur, der Li-Speicherstellen, und der Li-Mobilitäten sowohl in der Keramik als auch im Silicium bzw. Zinn aufgeklärt. Die Sicherheit in der Anwendung der Materialien im Vergleich zu kommerziellen kohlenstoffbasierten Anodenmaterialien soll mit Hilfe kalorimetrischer Messungen ermittelt werden. Sämtliche Experimente werden durch Dichtefunktionalrechnungen, klassische Molekulardynamik-Simulationen und thermodynamische Modellierung gestützt und ergänzt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1473: WeNDeLIB - Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien
• Beteiligte Person: Professor Ralf Riedel