ISBN 978-3-8439-3746-7

978-3-8439-3746-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Christian Sämann
Laserporosierte Siliziumanoden für Lithium-Batterien

150 Seiten, Dissertation Universität Stuttgart (2018), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit präsentiert die Laserporosierung als neue Methode, um poröses Dünnschicht Silizium für Lithium-Batterien herzustellen.

Die Methode verwendet gepulste Laserstrahlung der Wellenlänge λ = 532 nm, die das Silizium stark absorbiert und über dessen Schmelzpunkt erhitzt. In der Siliziumschmelze bilden die Gasatome oder -moleküle Gasblasen mit einer Größe von einigen Nanometern, die sich während der thermischen Aufheizung ausdehnen. Die Gasblasen erzeugen Poren an der Oberfläche, sobald sie die Schicht verlassen.

Laserpulsdauern im Bereich von Nanosekunden bewirken einen schnellen Temperaturanstieg und ein kurzes Abkühlen, um das flüssige Silizium erstarren zu lassen, bevor sich die Poren durch Kontraktion schließen können.

Silizium, das mit Gleichstrom-Kathodenzerstäubung abgeschieden wird, und aufgedampftes Silizium beinhalten keine Gasatome für die Laserporosierung. Die Absorption der gepulsten Laserstrahlung verursacht in diesen Schichten die Dampfbildung an der Grenzfläche zwischen der Siliziumschicht und dem darunterliegenden Substrat, weil sich das Silizium über den Siedepunkt erhitzt. Der entstehende Dampf bricht die Schicht durch Gasblasen mit einer Größe von einigen Mikrometern auf.

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung und Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung hingegen eigenen sich als Abscheidemethoden für die Laserporosierung, weil diese ausreichend Gasatome oder -moleküle in die Siliziumschichten einbauen. Die Laserpulsenergiedichte, die Laserpulsdauer sowie die Abscheideparameter kontrollieren die Porendurchmesser im Bereich von 50 nm ≤ d_P ≤ 550 nm. Eine abwechselnde Abscheidung von d_Si = 200 nm dickem Silizium und anschließender Laserporosierung kompensiert die begrenzte Absorptionstiefe von Silizium bei der Laserwellenlänge λ = 532 nm. Auf diese Weise kann die Masse an porösem Silizium als Aktivmaterial erhöht werden. Diese Arbeit untersucht poröse Stapelschichtanoden, die aus bis zu drei Schichten mit jeweils d_Si = 200 nm Silizium bestehen.

Die Veränderung der Morphologie des Siliziums durch die Laserporosierung verbessert die elektrochemische Zyklenstabilität der Siliziumschichten in Lithium Halbzellen. Die Begrenzung der Ladekapazität C_lim = 978 mAh/g schützt das Silizium vor mechanischen Stress, der die Schicht zerstört.