In der vorliegenden Arbeit wurden physikalisch abgeschiedene Dünnschicht-Elektroden aus Silizium untersucht. Am Dünnschicht-Modellsystem wurden umfassende elektrochemische Versuche durchgeführt und das Materialverhalten charakterisiert. Es wurden Degradationseffekte identifiziert und damit Ansätze zur Verbesserung der Lebensdauer der Siliziumelektroden gegeben. Die externe Lithiierung durch thermisches Verdampfen wurde am Dünnschicht-Modellsystem erfolgreich durchgeführt, eingehend studiert und auf Dickschichtelektroden übertragen. Weiterhin wurde ein Alternativprozess zur simultanen Herstellung von lithiierten Silizium-Dünnschichtelektroden vorgestellt und durchgeführt.
In this study, sputtered thin-film silicon-electrodes were evaluated. On this thin-film model system were performed comprehensive electrochemical experiments for the characterization of the materials behavior. The degradation effects have been identified and thus offer attempts for future improvement in the lifetime of silicon electrodes. Prelithiation by thermal evaporation of thin-film silicon electrodes was performed successfully, studied in detail and applied to thick-film electrodes. Furthermore, an alternative process for simultaneous physical lithiation and sputtering of silicon were presented and performed.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlagen
2.1 Batterie
2.1.1 Funktionsprinzip
2.1.2 Doppelschicht
2.2 Li-Ionen Batterie
2.2.1 Stand der Technik
2.2.2 Entwicklungspotential
2.3 PVD Herstellung
2.3.1 Kathodenzerstäubung
2.3.2 Rakeln
2.3.3 Thermisches Verdampfen
2.4 Analytische Methoden
3. Experimentelle Basis
3.1 Herstellung
3.1.1 Sputtern
3.1.2 Dickschichtelektroden
3.1.3 Lithiierung der Siliziumelektroden
3.1.4 Coffeebag
3.2 Analyse
3.2.1 Experimentelle Ermittlung von Strom-Potential Kurven
3.2.2 Elektrochemische Impedanzspektroskopie
4. Darstellung der Ergebnisse und Auswertung
4.1 Evaluation der Sputterparameter
4.2 Charakterisierung der Siliziumelektrode
4.3 Alterungseffekte in Siliziumelektroden
4.4 Einfluss der Spannung auf die Alterung
4.5 Vorlithiiertes Silizium
5. Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Eignung physikalisch abgeschiedener Dünnschicht-Siliziumelektroden für Lithium-Luft-Batterien, mit dem Ziel, durch Vorlithiierung die Lebensdauer und Kapazität gegenüber konventionellen Systemen zu steigern und gleichzeitig Degradationsmechanismen zu identifizieren.
- Charakterisierung des Materialverhaltens von Silizium-Dünnschichtelektroden mittels elektrochemischer Versuche.
- Entwicklung und Evaluation von Lithiierungsmethoden, insbesondere thermisches Verdampfen und simultane PVD-Prozesse.
- Analyse von Degradationseffekten und der Einfluss der Oberflächenmorphologie sowie Spannungsfenster auf die Alterung.
- Übertragung der Verfahren auf Dickschichtelektroden zur Optimierung der Herstellungsroutinen.
Auszug aus dem Buch
4.2 Charakterisierung der Siliziumelektrode
Bevor die vorlithiierten Silizium Schichten im Vordergrund stehen, muss das ohnehin komplexe Material Silizium analysiert und verstanden werden. Zur Untersuchung wurden Halbzellen aus amorphem Silizium (gesputtert auf Kupferfolie) gegen Lithium im Zwei-Elektroden Aufbau zykliert. Als ein Zyklus wird Entladen (Lithiierung- Einbringen von Lithium ins Silizium) mit anschließendem Laden (Delithiierung- Entnahme von Lithium aus dem Silizium) bezeichnet. In Bild 15 sind die ersten zwei Zyklen als Potential über der spezifischen Kapazität aufgetragen. Im ersten Zyklus ist ein starker Abfall der Spannung auf 0.29 V zu Beginn der Lithiierung erkennbar. Anschließend ist ein Plateau mit konstanter Spannung und steigender Kapazität zu sehen. Ab einer Kapazität von etwa 1000mAhg-1 fällt das Potential langsam mit steigender Kapazität bis 10 mV ab. Die untere Spannungsgrenze von 10 mV wurde gewählt, um eine Degradation des Elektrolyten ausschließen zu können. Mit Beginn der Delithiierung steigt die Spannung sprunghaft an und geht ab etwa 200 mV in eine gemäßigtere Steigung bis etwa 600 mV über. Im Bereich zwischen 1 V und 1.2 V steigt die Spannung wieder sprunghaft an. Die Spannungsgrenze von 1.2 V ist ausreichend um das Silizium vollständig zu delithiieren.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die steigende Bedeutung der Elektromobilität und die Notwendigkeit, konventionelle Graphitanoden durch Silizium mit höherer Kapazität zu ersetzen.
2. Grundlagen: Erläutert die elektrochemischen Prinzipien von Batterien, PVD-Beschichtungsverfahren und die spezifischen Herausforderungen von Siliziumanoden.
3. Experimentelle Basis: Beschreibt die verwendeten Methoden zur Herstellung von Silizium-Dünnschicht- und Dickschichtelektroden sowie die Analysetechniken mittels Impedanzspektroskopie.
4. Darstellung der Ergebnisse und Auswertung: Analysiert Sputterparameter, Charakterisierung der Siliziumelektrode, Alterungseffekte, Spannungseinflüsse und Ansätze zur Vorlithiierung.
5. Fazit und Ausblick: Fasst die Ergebnisse zur Degradation und Lithiierung zusammen und bewertet die Eignung der Verfahren für die industrielle Elektrodenherstellung.
Schlüsselwörter
Siliziumanoden, Lithium-Luft-Batterien, PVD-Herstellung, Vorlithiierung, Dünnschichtelektroden, Sputtern, thermisches Verdampfen, Elektrochemische Impedanzspektroskopie, SEI-Bildung, Degradation, Kapazitätsverlust, Lithium-Ionen-Batterie, Festkörperdiffusion, Grenzfläche, Phasenbildung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Masterarbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung von Silizium als Anodenmaterial für Lithium-Batterien der nächsten Generation, insbesondere durch den Einsatz von physikalischen Abscheidungsprozessen und Vorlithiierung.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der Elektrochemie von Siliziumelektroden, verschiedenen PVD-Beschichtungsverfahren (Sputtern, thermisches Verdampfen) und der Analyse von Alterungsprozessen wie der SEI-Schichtbildung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Steigerung der Kapazität und Lebensdauer von Siliziumanoden, um sie als leistungsfähigen Ersatz für Graphitanoden in Kombination mit lithiumfreien Kathoden nutzbar zu machen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommen unter anderem das Magnetron-Sputtern, thermisches Verdampfen, REM/FIB-Analytik zur Oberflächen- und Querschnittsuntersuchung sowie die elektrochemische Impedanzspektroskopie zum Einsatz.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte experimentelle Untersuchung der Sputterparameter, die Charakterisierung der elektrochemischen Zyklen, die Analyse von Alterungseffekten unter verschiedenen Spannungsfenstern sowie die Vorlithiierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Siliziumanoden, PVD-Herstellung, Lithiierung, Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) und Degradationsanalyse.
Wie beeinflusst die Wahl des Spannungsfensters die Alterung der Elektrode?
Die Arbeit zeigt, dass eine Einschränkung des Spannungsfensters auf mittlere Bereiche die Degradation signifikant reduziert, da extreme Delithiierung und die damit verbundene Bildung von a-Si Phasen vermieden werden.
Welche Erkenntnisse wurden zur SEI-Bildung gewonnen?
Die SEI-Schicht bildet sich vor allem im ersten Entladezyklus durch irreversible Reaktionen. Mit zunehmender Zyklenzahl beeinflusst deren Dicke den Ladungstransport, wobei mechanische Degradation zu einer zyklischen Änderung der Widerstände führt.
- Arbeit zitieren
- Alex Friesen (Autor:in), 2012, Untersuchungen zur PVD-Herstellung und Lithiierung von Siliziumelektroden für Lithium-Luft-Batterien, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/339475
