Silicon as an anode-active material for lithium-ion batteries (LIBs) has been the focus of research for a long time. Until now, commercialization has been challenging due to the drastic volume changes upon (de-)lithiation. In the last few years, new silicon material concepts have been employed, some of which have recently reached mass production and can be found in their first applications on the market. This work investigates microscale silicon particles, which can be produced cost-effectively and are available on a large scale. A partial lithiation strategy achieves reasonable cycling stability with such a material concept, whereby the crystalline silicon particle is only amorphized to a certain extent, thus maintaining the integrity of the particle during cycling. The investigation of the amorphization process with respect to the lithiation cutoff potential was analyzed by in-situ X-ray diffraction (XRD) in the first part of this thesis. It enabled an XRD-based quantification of the amorphous phase fraction over the course of extended charge/discharge cycling. The second part of this thesis focuses on the mechanism of lithium nitrate (LiNO3) as an electrolyte additive in carbonate-based electrolyte systems for silicon-based anodes. The reduction and oxidation reactions are studied on carbon electrodes using on-line electrochemical mass spectrometry (OEMS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In addition, the cycling stability is examined in coin full-cells using silicon-based anodes and NCM622 cathodes. With its high specific capacity of 3579 mAh g-1Si, silicon allows for high areal capacities and thin electrode coatings, making it a promising choice for fast-charging applications. The final part of this thesis provides a practical comparison between silicon-based anodes and graphite anodes in terms of their temperature-dependent kinetic charge transfer resistance and ion transport resistance using impedance spectroscopy.      «

Silicon as an anode-active material for lithium-ion batteries (LIBs) has been the focus of research for a long time. Until now, commercialization has been challenging due to the drastic volume changes upon (de-)lithiation. In the last few years, new silicon material concepts have been employed, some of which have recently reached mass production and can be found in their first applications on the market. This work investigates microscale silicon particles, which can be produced cost-effectively...     »

Silicium als Aktivmaterial für Anoden in Lithium-Ionen Batterien ist schon seit längerem im Fokus der Forschung. Bisher gestaltete sich die Kommerzialisierung als sehr herausfordernd, da Silicium über die (De-)Lithiierung eine große Volumenänderung aufweist. In den letzten Jahren wurden neue Materialkonzepte entwickelt, von denen es zuletzt einige in die Serienproduktion geschafft haben und in ersten Anwendungen auf dem Markt zu finden sind. In dieser Arbeit werden mikroskalige Siliciumpartikel untersucht, welche kostengünstig hergestellt werden können und in großem Maßstab verfügbar sind. Um mit einem solchem Materialkonzept eine angemessene Zyklenstabilität erreichen zu können, wird der Ansatz einer partiellen Lithiierung verfolgt. Dabei werden die kristallinen Siliciumpartikel nur bis zu einem gewissen Grad amorphisiert, um so die Integrität der Partikel über den Zyklenverlauf zu erhalten. Im ersten Teil dieser Arbeit, wird der Amorphisierungsprozess im Hinblick auf die Lithiierungs-Abschaltspannung mittels in-situ Röntgendiffraktometrie (XRD) untersucht und der Anteil der amorphen Phase quantitativ über XRD bestimmt. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Mechanismus von Lithiumnitrat (LiNO3) als Additiv in karbonatbasierten Elektrolytsystemen für siliciumhaltige Anoden. Reduktions-und Oxidationsreaktionen wurden an Kohlenstoffelektroden mittels elektrochemischer Online-Massenspektrometrie (OEMS) und Röntgenphotonenelektronenspektroskopie (XPS) untersucht. Zusätzlich wurde die Zyklenstabilität in Vollzellen im Knopfzellformat mit siliciumhaltigen Anoden und NCM622 Kathoden getestet. Mit seiner hohen spezifischen Kapazität von 3579 mAh g-1Si, ermöglicht Silicium hohe Flächenkapazitäten bei Elektrodenbeschichtungen mit gleichzeitig geringen Schichtdicken für Schnelladeanwendungen. Im letzten Teil dieser Arbeit werden Siliciumanoden mit Graphitanoden hinsichtlich ihres temperaturabhängigen kinetischen Ladungsübergangswiderstands und ihres ionischen Transportwiderstands mittels Impedanzspektroskopie gemessen.      «

Silicium als Aktivmaterial für Anoden in Lithium-Ionen Batterien ist schon seit längerem im Fokus der Forschung. Bisher gestaltete sich die Kommerzialisierung als sehr herausfordernd, da Silicium über die (De-)Lithiierung eine große Volumenänderung aufweist. In den letzten Jahren wurden neue Materialkonzepte entwickelt, von denen es zuletzt einige in die Serienproduktion geschafft haben und in ersten Anwendungen auf dem Markt zu finden sind. In dieser Arbeit werden mikroskalige Siliciumpartikel...     »