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SiCN based Anode Materials for Lithium-Ion Batteries

Reinold, Lukas Mirko :
SiCN based Anode Materials for Lithium-Ion Batteries.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: SiCN based Anode Materials for Lithium-Ion Batteries
Language: English
Abstract:

This thesis deals with the investigation of polymer-derived silicon carbonitride based anode materials for their application in lithium-ion batteries. Carbon-rich silicon carbonitrides are obtained by a pyrolysis of different organosilicon precursors, namely poly(phenylvinylsilylcarbodiimide), poly(phenylvinylsilazane), poly(diphenylsilylcarbodiimide), poly(phenylsilsesquicarbodiimide) and poly(phenylsilsesquiazane). The materials are characterized by means of Raman spectroscopy, elemental analysis, X-ray diffraction and Galvanostatic Cycling with Potential Limitation. Promising results with respect to the capacity, rate capability and cycling stability have been obtained. Namely, silicon carbonitride derived from poly(phenylvinylsilazane) exhibits a 1st cycle specific delithiation capacity as high as 725 mAh/g and a specific capacity of 624 mAh/g after prolonged cycling.

Extensive studies on the influence of the pyrolysis temperature between 800 °C and 1300 °C on the electrochemical behavior have been performed on the active materials derived from poly(phenylvinylsilylcarbodiimide) and poly(phenylvinylsilazane). It has been found that the pyrolysis temperature influences the hysteresis, the specific capacity, the rate capability and several aspects related to the stability of the prepared electrodes. Single Particle Measurements have been conducted, giving insight into the intrinsic properties of the materials, namely the charge transfer resistance and the minimum diffusion coefficient. These values are found to depend on the pyrolysis temperature, too. Solid state 29Si, 13C and 7Li Nuclear Magnetic Resonance measurements on poly(phenylvinylsilylcarbodiimide) and poly(phenylvinylsilazane) pyrolyzed at 1100 °C reveal that the free carbon phase acts as major storing site for the lithium ions and that lithium ion motion takes place via a continuum diffusion mechanism described by an activation law.

Moreover, the prospects of silicon carbonitride as stabilizing matrix for prolonged electrochemical cycling of silicon nano powders are addressed. A variety of composites have been prepared differing in the organosilicon precursor, the ratios of compounds, presence/absence of conductive coatings and geometric structure. The highest cycling stability has been achieved for silicon nano particles located in a porous ceramic matrix.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Anodenmaterialen für die Anwendung in Lithium-Ionen Batterien auf Basis von polymerabgeleitetem Silicumcarbonitrid. Kohlenstoffreiche Siliciumcarbonitride wurden durch eine Pyrolyse von verschiedenen Präkursoren, namentlich poly(phenylvinylsilylcarbodiimid), poly(phenylvinylsilazan), poly(diphenylsilylcarbodiimid), poly(phenylsilsesquicarbodiimid) und poly(phenylsilsesquiazan), erhalten. Die keramischen Materialien wurden mittels Raman Spektroskopie, Elementaranalyse, Röntgenbeugung und Chronopotentiometriemessungen untersucht. Dabei wurden vielversprechende Ergebnisse hinsichtlich der Kapazität, des Leistungsvermögens bei hohen Strömen und der Zyklenstabilität erhalten. Z.B. zeigte poly(phenylvinylsilazan) abgeleitetes Siliciumcarbonitrid im ersten Zyklus eine reversible spezifische Kapazität von 725 mAh/g. Auch nach wiederholtem Zyklieren konnte noch eine spezifische Kapazität von 624 mAh/g gemessen werden. Zusätzlich wurden Untersuchungen an poly(phenylvinylsilylcarbodiimid)- und poly(phenylvinylsilazan)abgeleitenden Aktivmaterialien hinsichtlich des Einflusses der Pyrolysetemperatur zwischen 800 °C und 1300 °C auf das elektrochemische Verhalten durchgeführt. Dabei konnte ein Zusammenhang zwischen der Pyrolysetemperatur mit der Hysterese, der spezifischen Kapazität und verschiedenen Aspekten der Stabilität festgestellt werden. Einzelpartikelmessungen gaben Aufschluss über die intrinsischen Eigenschaften der Materialien wie etwa den Durchtrittswiderstand und den minimalen Diffusionkoeffizienten. Auch bei diesen Kennwerten wurde eine Abhängigkeit von der Pyrolysetemperatur nachgewiesen. Die Ergebnisse von Festkörper 29Si, 13C und 7Li Kernspinresonanz-Messungen an Poly(phenylvinylsilylcarbodiimid) und Poly(phenylvinylsilazan) pyrolisiert bei 1100 °C zeigten, dass die freie Kohlenstoffphase als hauptsächlicher Speicher für die Lithiumionen dient, und dass der Transport von Lithiumionen durch einen kontinuierlichen Diffusionsmechanismus erfolgt, der durch ein einfaches Aktivierungsgesetzt beschrieben werden kann. Schließlich wurden die Erfolgsaussichten von Siliciumcarbonnitrid als stabilisierendes Matrixmaterial für das elektrochemische zyklieren von Siliciumnanopulvern untersucht. Hierfür wurde eine Vielzahl von Kompositen unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlichen Aufbaus, mit und ohne leitfähigen Beschichtungen und unter Verwendung unterschiedlicher Präkursoren hergestellt. Die höchste Zyklenstabilität wurde für Siliciumnanopartikel erreicht, die in eine poröse keramische Matrix eingebaut wurden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Dispersive Solids
Date Deposited: 30 May 2016 10:02
Last Modified: 02 Jun 2016 07:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54285
Referees: Riedel, Prof. Dr. Ralf and Roth, Prof. Dr. Christina
Refereed: 23 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5428
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