Elektrolyse gedeponeerd silicium films op nanoporeuze metalen voor Li-ion batterij anodes : het koppelen van nanoschaal structuren aan macroschaal prestaties (R-7251)

De lithium-ion batterij (LIB) technologie domineert al sinds het laatste decennium de markt van de draagbare elektronica omdat ze sneller opladen, een langere levensduur hebben en omdat ze een hogere power densiteit hebben in vergelijking met lood-zuur batterijen. Desondanks deze voordelen zijn de LIBs commercieel niet wijd verspreid in 'high-power' en 'high-capacity' applicaties door hun hoge kost, hun lage thermische stabiliteit en hun koolstof gebaseerde anodes die erg afhankelijk zijn van de elektrolyten oplossing die kan delamineren en de levenscyclus van de batterij kan verkorten. Silicium (Si) is sinds kort geïdentificeerd als een erg aantrekkelijk hoog energetisch anode materiaal voor LIBs omwille van zijn specifieke capaciteit die deze van de koolstof gebaseerde materialen ruim overstijgt en omwille van een hogere chemische stabiliteit en een lagere toxiciteit. Het grootste probleem dat zich voordoet wanneer silicium als potentieel anode wordt gebruikt is de grote volume expansie tijdens de 'lithiation' dat aanleiding geeft tot degradatie en instabiliteit van het oppervlak tussen het vast en elektrolyten materiaal. Dit zal de levenscyclus van de batterij verkorten. In dit project willen we dit probleem omzeilen door de elektrode morfologie te optimaliseren door de ontwikkeling van nano gestructureerde configuraties die de grote volume expansie kunnen bufferen en zo een langere levenscyclus en een hoge specifieke capaciteit kunnen verzekeren. Meer bepaald zullen we nano poreuze metalen gebruiken als dragers om silicium als een anode op af te zetten. We zullen ook het potentieel van RTILs verkennen als een batterij elektrolyt van de nieuwe generatie. Het hoofddoel van het project is een link te vinden tussen de morfologische structuur van de anode op nano schaal (en gerelateerde node/elektrolyten scheidingsvlak) en de macroscopische respons van de batterij prestatie en levenscyclus. Een bottom-up aanpak zal gebruikt worden om de complexiteit van de nano poreuze structuren in kaart te brengen van eenvoudigere nano poreuze structuren tot verschillende lengte schaal hiërarchische meso/nano structuren. De poreuze dragers zullen gevormd worden door één bepaald metaal te verwijderen uit de matrix. Het silicium zal afgezet worden via elektro of atoom laag depositie. Robuuste en wendbare experimentele karakterisatie technieken zoals cyclische voltametrie (CV), elektro chemische impedantie spectroscopie (EIS), in-situ atomaire kracht microscopie (AFM), scanning elektronen microscopie (SEM), X-ray fotoelektron spectroscopie (XPS) en Xray diffractie (XRD) zullen gebruikt worden. Het project zal het gebruik van atoom probe tomografie (APT) inkaart brengen om nieuwe informatie op atomair niveau over de chemische verdeling van de nano poreuze anode te verkrijgen. De combinatie van APT met state of the art elektrochemische technieken en AFM en SEM zal de fundamentele vragen over de ontwikkeling van de nieuwe generatie LIBs beantwoorden die vandaag niet begrepen worden of nog niet onderzocht zijn.

Trefwoorden:nanodeetjes en - clusters

Disciplines:Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen

Project type:Samenwerkingsproject