FB2-SiSuFest - Evaluation von Siliziumanoden in sulfidischen Festkörperbatterien

Abstract

Im Teilvorhaben FB2-SiSuFest wurden Silizium- und Siliziumnitrid-(SiNx)-Anoden für sulfidische Festkörperbatterien systematisch untersucht. Im Mittelpunkt standen der Einfluss von Stickstoffgehalt, Partikelgröße, Mikrostruktur und Prozessierung auf spezifische Kapazität, Coulomb-Effizienz, Ratefähigkeit und Zyklierstabilität sowie die Übertragung von Halbzellen auf NCM-basierte Vollzellen. Mit zunehmendem Stickstoffgehalt sinkt die spezifische Kapazität, während die Zyklierstabilität steigt; ein Stickstoffgehalt von etwa x ≈ 0,5 stellt einen sinnvollen Kompromiss dar. Für die Partikelgröße wurde ein Leistungsoptimum von 100–200 nm identifiziert. Querschnitts-Elektronenmikroskopie ergab während der ersten Lithiierung Volumenausdehnungen von etwa 230 % für Si und 200 % für SiN0.44. Ergänzende CTTA-Untersuchungen bestätigten die Bedeutung der Solid-Electrolyte-Interphase (SEI) für Kapazitätsverlust und Ratefähigkeit. In Vollzellen mit NCM82 erreichte eine Si-Anode bei einem n:p-Verhältnis von 1,3 eine Kapazitätserhaltung von 76,7 %. Die wesentliche Einschränkung von SiNx bleibt die niedrige initiale Coulomb-Effizienz infolge irreversibler Matrixbildung; partielle Prä-Lithiierung wurde als möglicher Lösungsansatz identifiziert. Insgesamt sind SiNx-Materialien vielversprechende Kandidaten für eine teilweise Substitution von Graphit in Festkörperbatterien.