Silicon Based Materials for Energy Related Technologies

The focus of this PhD work is on new materials with a tailored microstructure and composition for the application in energy-related technologies, notably energy storage in Li-ion batteries and CO2 gas storage. In the first part of the thesis, polymer-derived SiCN/SiOC nanocomposites are employed to stabilize the silicon anode in lithium batteries during the lithiation/delithiation process. In particular, the influence of the composite morphology on the cycling behavior of elemental silicon is systematically investigated. The preparation and optimisation of the composite consisting of highly porous silicon embedded in the C/SiOC matrix is described. The electrochemical measurements demonstrate exceptionally high Coulombic efficiency and almost no capacity decay during prolonged charge/discharge tests. The second part of this thesis discloses de novo invented synthesis route allowing to tailor the porosity of Si-based ceramics using simple chemical tools. The electrochemical studies of porous carbon-rich SiCN ceramics reveal excellent high rate capabilities and cycling stabilities. The invented method also allows to synthesize Si-based ceramics with a tailored hierarchical porosity suitable for CO2 gas capture and storage.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung neuartiger Materialien und deren speziell angepasster Mikrostruktur und Zusammensetzung für den Einsatz in energie-orientierten Anwendungen, hier Lithium-Ionen Batterien und CO2-Speicherung. Im ersten Teil der Arbeit werden Polymer-abgeleitete SiCN/SiOC Nanokomposite vorgestellt, die die Silizium-Anode einer Lithium-Batterie während des Lithiierungs-/Delithiieurungsprozesses stabilisieren. Der Einfluss der Morphologie des Kompositmaterials auf das Zyklisierungsverhalten des elementaren Siliziums wird systematisch untersucht. Der optimale Verbundwerkstoff, aufgebaut aus porösem Silizium eingebettet in einer C/SiOC Matrix, wird detailliert beschrieben. Die elektrochemische Charakterisierung zeigt eine außergewöhnlich hohe coulombsche Effizienz und nahezu keinen Kapazitätsverlust während länger andauernder Ladungs-/Entladungszyklen. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neuartige Syntheseroute vorgestellt, welche es ermöglicht, mit einfachen chemischen Reaktionen Silizium-basierte Keramiken mit wohldefinierter Porosität herzustellen. Elektrochemische Untersuchungen von porösen, kohlenstoffreichen SiCN-Keramiken zeigen außerordentlich hohe Kapazitäten bei hohen Ladungsraten und hervorragende Zyklenfestigkeit. Die entwickelte Methode ermöglicht die Synthese von funktionalisierten Silizium-basierten Keramiken mit einer speziell zugeschnitten hierarchischen Porosität, welche auch für die Aufnahme und Speicherung von gasförmigen CO2 verwendet werden können.