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Carbon-Rich Silicon Oxycarbide (SiOC) and Silicon Oxycarbide/Element (SiOC/X, X= Si, Sn) Nano-Composites as New Anode Materials for Li-Ion Battery Application

Kaspar, Jan :
Carbon-Rich Silicon Oxycarbide (SiOC) and Silicon Oxycarbide/Element (SiOC/X, X= Si, Sn) Nano-Composites as New Anode Materials for Li-Ion Battery Application.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

#2014-09-01 Dissertation_v01_pdf_X3.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Carbon-Rich Silicon Oxycarbide (SiOC) and Silicon Oxycarbide/Element (SiOC/X, X= Si, Sn) Nano-Composites as New Anode Materials for Li-Ion Battery Application
Language: English

Carbon-rich silicon oxycarbide (SiOC) and silicon oxycarbide/element nano-composites (SiOC/X, X=Si, Sn) are prepared via thermal conversion of polyorganosiloxanes and studied as potential anode material for Li-ion battery application. The obtained materials are characterized by various chemical, structural, electrochemical and electro-analytical methods. The chemical composition and microstructure of the samples is analyzed and correlated with their electrochemical properties and performance. For carbon-rich SiOC, the lithium ion storage process, including the transport and mobility of lithium ions within the material, is investigated. The electrochemical properties of carbon-rich SiOC strongly correlate with the ceramic microstructure and phase composition, which in turn correlate with the final temperature of pyrolysis. Both, an increasing organization of free carbon within the microstructure and the gradual degradation of the amorphous Si-O-C network lead to reduced capacities and changing voltage profiles. According to electro-analytical studies by PITT, GITT and EIS, the diffusion coefficient of Li-ions within SiOC prepared at 1100°C is in a similar order of magnitude as reported for disordered carbons, but faster than for graphite. In the case of SiOC/X (X=Si, Sn) nano-composites, an additional Li-alloy forming phase is embedded within the SiOC matrix. For the synthesis of SiOC/Sn, a new innovative single-source precursor approach is introduced, which enables the in-situ precipitation of metallic Sn phase upon the thermal conversion of tin-modified polysiloxanes. Due to this microstructural design, the Li-ion storage capacity of the composite is enhanced, compared to pure SiOC. In addition, the embedding of Si and Sn alloy forming phases within stabilizing SiOC matrices strongly increases their cycling stability upon continuous lithiation and delithiation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden Arbeit werden kohlenstoffreiche Silizium-Oxycarbid Keramiken (SiOC) und SiOC/Element Nanokomposite (SiOC/X, X=Si, Sn) durch thermische Umwandlung von Polysiloxan Polymeren hergestellt und als potentielles Anoden Material für Li-Ionen Batterien untersucht. Die synthetisierten Materialien werden chemisch, strukturell, elektrochemisch und elektroanalytisch charakterisiert, um eine Korrelation zwischen spezifischer Mikrostruktur und elektrochemischen Eigenschaften abzuleiten. Für kohlenstoffreiches SiOC wird die Li-Ionen Speicherung, sowie Diffusion der Ionen im Material, näher analysiert. Die elektrochemischen Eigenschaften von kohlenstoffreichem SiOC hängen signifikant von der keramischen Mikrostruktur ab, welche durch die finale Pyrolysetemperatur bestimmt wird. Sowohl eine erhöhte Organisation der freien Kohlenstoffphase, als auch die Zersetzung des amorphen Si-O-C Netzwerks, führen zu geringeren Li-Ionen Speicherkapazitäten. Mittels elektroanalytischer Methoden wird gezeigt, dass die Diffusion der Li-Ionen ähnlich derer in amorphen Kohlenstoffen stattfindet, jedoch schneller als in Graphit. Im Fall der SiOC/X (X=Si, Sn) Nanokomposite, ist eine zusätzliche lithiumlegierungsbildende Phase (Si, Sn) in der SiOC Matrix dispergiert. Bei der Synthese von SiOC/Sn wird ein neuer innovativer Ansatz verfolgt, der zur in-situ Ausscheidung von metallischem Zinn während der Pyrolyse führt. Durch das Einbringen zusätzlicher elektrochemisch aktiver Phasen wird die Li-Ionen Speicherkapazität im Vergleich zu reinem SiOC meßbar erhöht. Zusätzlich wird durch die Einbettung von Silizium und Zinn in SiOC die reversible Zyklierbarkeit der beiden Lithiumlegierungsbildner merklich verbessert. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Dispersive Solids
Date Deposited: 10 Sep 2014 09:53
Last Modified: 10 Sep 2014 09:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41046
Referees: Riedel, Prof. Ralf and Soraru, Prof. Gian Domenico
Refereed: 4 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4104
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