Funktionalisierte Si/SiNx Nanopartikel als Anoden für Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien: Gasphasensynthese, strukturelle und elektrochemische Untersuchung

• Antragsteller: Professor Dr. Hartmut Wiggers, seit 8/2018
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 327813155

Generell werden Nano-Silizium-haltige Materialien als vielversprechende Kandidaten für den Einsatz als Anoden in zukünftigen Generationen von Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterien (LIB) betrachtet. Sie zeigen aber strukturelle und elektrochemische Instabilitäten, die sich kritisch auf den möglichen Einsatz auswirken. Erste Experimente deuten darauf hin, dass multifunktionale Si/SiNx Nanostrukturen in der Lage sind, diese Stabilitätsprobleme zu überwinden. Wie bei anderen nano-Si-basierten Anodenmaterialen auch, ist der praktische Einsatz der Si/SiNx Anoden momentan noch hauptsächlich durch die fehlende Skalierbarkeit der Herstellung limitiert. Als gut skalierbares Herstellungsverfahren von Si/SiNx-Nanopartikeln soll in diesem Projekt die Gasphasensynthese im Heißwand-Reaktor genutzt werden, die auf umfangreiche Erfahrung bei der Herstellung von Silizium-Nanopartikeln aufbauen kann. Ziel dieses Projektes ist sowohl die Entwicklung von skalierbaren Herstellungsverfahren von Si/SiNx-Nanopartikeln, als auch die elektrochemische Charakterisierung der erzeugten Partikel in Hinblick auf ihren Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien. Als Hauptaufgaben müssen hierfür zwei Korrelationen untersucht werden; einerseits der Zusammenhang von Synthesebedingungen und Materialeigenschaften der Partikel und andererseits die Abhängigkeit der elektrochemischen Performance von den Materialeigenschaften. Systematische Experimente sollen klären, wie sich verschiedene Syntheseparameter, unter anderem das Verhältnis der Ausgangsstoffe Ammoniak und Silan, die Temperatur und die Verweilzeit, auf Kristallstruktur, Phasenzusammensetzung und Partikelgröße auswirken. Im Rahmen der zweiten Hauptaufgabe werden wohldefinierte Si/SiNx-Nanopartikel mit feinabgestuften Eigenschaften als Anodenmaterialien in elektrochemischen Untersuchungen eingesetzt, um den Einfluss von Materialeigenschaften der Partikel (Kristallstruktur, Partikelgröße, usw.) auf die Leistungsfähigkeit der Batterie in Bezug auf Kapazität, Coulomb-Effizienz, Zyklenstabilität und Lade-Ratenstabilität zu studieren. Tiefgreifendes Verständnis der ablaufenden elektrochemischen Prozesse soll erlangt werden, indem Änderungen von Zusammensetzung und Struktur der Si/SiNx-Anoden zu verschiedenen Zeitpunkten der Zyklisierung beobachtet werden, wobei zum ersten Mal - in Kooperation mit dem Argonne National Laboratory - In-situ-Synchrotron-Röntgenbeugungsexperimente durchgeführt werden. Im Rahmen des Projektes sollen iterativ optimierte, skalierbare Materialien und Verarbeitungsmethoden entwickelt und untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Dr. Zonghai Chen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Lisong Xiao, bis 7/2018