Enthüllung der mikrostrukturellen und elektrochemischen Entwicklung einer Si/Sn-Nanofaserverbundanode für Lithium-Ionen-Batterien

• Antragsteller: Professor Dr. Francesco Ciucci, seit 5/2024
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 533115776

Angesichts des allgemeinen Anstiegs der Weltbevölkerung und des ständigen Bedarfs an Energieversorgung ist die Entwicklung nachhaltiger, wiederaufladbarer Energiespeichersysteme der nächsten Generation dringend erforderlich. Die derzeit auf dem Markt befindlichen Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) weisen in dieser Hinsicht eine wesentliche Einschränkung auf, nämlich eine begrenzte spezifische Kapazität. Um ein nachhaltiges, wiederaufladbares Energiespeichersystem mit hoher Energiedichte zu erreichen, wurde hauptsächlich der Ansatz verfolgt, die Energiedichte der Batterie zu erhöhen, indem der derzeit verwendete Graphit durch Anoden mit hoher Kapazität, z. B. Si, ersetzt wird. Um ein Hochleistungs-Energiespeichersystem der nächsten Generation zu realisieren, sollte das rationelle Design der Si-Anode i) die aktiven Stellen für die Li-Speicherung maximieren, ii) einen guten ionischen/elektronischen Transport ermöglichen, iii) die strukturelle Integrität erhalten und iv) eine stabile SEI-Schicht aufweisen. In diesem Projektvorschlag zielen wir darauf ab, die Si/Sn-Verbundnanofaser als praktische Anode für Lithium-Ionen-Batterien zu erforschen, was die folgenden Auswirkungen haben soll: 1) Durch die Einführung von metallischem Sn (9,17 X 106 S) wird die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu einer reinen Si-Anode verbessert (Si ist halbleitend) 2) Sn ist reichlich vorhanden und umweltfreundlich und kann mit Si kombiniert werden 3) Sn fungiert auch als aktives Material mit einer theoretischen Kapazität von etwa 790 mAh g-1 und einem durchschnittlichen Potenzial von 0,4 V, was der hohen theoretischen Kapazität von Si (~4200 mAh g-1) und dem durchschnittlichen Potenzial von 0,2 V ähnelt. In Anbetracht der hohen Dichte von Sn (7,3 g cm-3) ist der Unterschied in der volumetrischen Kapazität von Si und Sn viel geringer als der in der gravimetrischen Kapazität von Si und Sn: Die volumetrische Kapazität ist der wichtigere Faktor, der berücksichtigt werden muss, wenn die LIBs für elektronische Geräte oder Elektrofahrzeuge verwendet werden, da die Batterie in einem bestimmten Volumen hergestellt werden muss 4) Die Einbindung von Sn und Si in eindimensionale Nanofasern wirkt als Puffer, der die Volumenänderungen und strukturellen Degradationen bei längerem Zyklus minimiert 5) Nanokörner aus Sn und Si, die den Transport von Li+-Ionen erleichtern, und poröse Stellen zwischen eindimensionalen Nanostrukturen, die das Eindringen von Elektrolyten ermöglichen Die vorgestellten Arbeitspakete zielen darauf ab, die Vorzüge von Si/Sn-Nanofasern für die Anwendung in Lithium-Ionen-Batterieanoden zu untersuchen und die elektrochemische und strukturelle Entwicklung von Si/Sn-Nanofasern während des Lade- und Entladevorgangs zu verstehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Jun Young Cheong, Ph.D., bis 4/2024