Influence of silicon nanoparticle coating on the electrolyte decomposition in Li-ion batteries

Datum: 23 februari 2016

Locatie: UAntwerpen, Campus Groenenborger, U0.25 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 10 uur

Promovendus: Kristof Van Havenbergh

Promotor: Gustaaf Van Tendeloo & Stijn Put

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Kristof Van Havenbergh - Faculteit Wetenschappen, Departement Fysica



Abstract

Door de toenemende populariteit van draagbare elektronische toestellen (smartphone, tablet, laptop) en elektrische auto’s, is er steeds meer vraag naar een verhoging van de capaciteit van Li-ion batterijen. Een vervanging van het huidige grafiet door silicium als negatieve elektrodemateriaal kan een 10-voudige capaciteitsverhoging opleveren. Echter, de grote volumeveranderingen die gepaard gaan met de reactie tussen silicium en lithium en de vorming van een elektrolyt-decompositie laag door instabiliteit van het elektrolyt, zorgen ervoor dat silicium nog niet heeft kunnen doorbreken op industriële schaal. Een recente strategie is om silicium nanodeeltjes te coaten om de volumeveranderingen op te vangen en te beschermen tegen het elektrolyt.

In dit werk werd de evolutie van enkele aangebrachte coatings en de gevormde elektrolyt-decompositielaag bestudeerd gedurende de eerste elektrochemische cycli. Twee technieken werden hiervoor gebruikt: transmissie elektronenmicroscopie (TEM) werd gebruikt om de evolutie van het oppervlak van de nanodeeltjes te bestuderen op zeer kleine schaal, terwijl elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) informatie verschafte over de gehele elektrode. De combinatie van beide technieken werd bovendien geoptimaliseerd om in de toekomst een snelle screening van nieuwe elektrodematerialen toe te laten. Voor de allereerste keer werd een TEM vingerafdruk-signaal van carbonaatstructuren uit de elektrolyt-decompositielaag geobserveerd, dat toestaat om deze laag te differentiëren van een andere koolstofmatrix. Bovendien werd er aangetoond dat een koolstofcoating het oppervlak van silicium beschermt en een aluminacoating de vorming van de elektrolyt-decompositielaag beperkt.

Tot slot werden de mechanische eigenschappen van de aangebrachte coatings bestudeerd via een in situ TEM experiment.