Silicon functionalization in Si/C composite Li-ion battery anode

Lithium-ion batteries (LIBs) are playing nowadays a central role in the market as the powering device of choice for any small and portable electronics up to large scale applications such as electric vehicles and energy storage technologies. Graphite is nowadays the material of choice as anode material for the production of commercial lithium-ion batteries. It is of large interest to find suitable alternatives materials with enhanced power and energy density, while maintaining cycling stability. Silicon is a promising alternative due to its very high specific capacity but with the major problem of large volume expansion during charging and discharging. In this thesis work, the aim is to take advantage of the large theoretical lithium storage capacity (about 4200mAhg-1) and improve the cycling life of the batteries by surface modification of the silicon particles with different silanes. The trials aim to make silanes, with different functional groups, couple with silicon in order create a surface modification that interacts positively with the surroundings and acts as cushioning for the volume expansion of silicon. The final goal is to increasing the cycling life of the battery. In the first part of this work, the production and functionalization processes of the graphite-silicon composite anodes is described. The experimental part focuses on the electrochemical characterization of the samples by cyclic voltammetry, C rate and charge-discharge testing. The results show an increased cycle stability of the some functionalized samples up to 100 cycles.

Le batterie agli ioni di litio (LIB) svolgono oggi un ruolo centrale nel mercato come dispositivo di alimentazione sia per strumenti elettronici piccoli e portatili che per applicazioni su grande scala come nei veicoli elettrici e nelle tecnologie di accumulo di energia. La grafite è il materiale anodico maggiormente utilizzato per la produzione di batterie agli ioni di litio. È di grande interesse trovare materiali alternativi con maggiore potenza e densità di energetica, pur mantenendo la stabilità del ciclo di utilizzo della grafite. Il silicio è un'alternativa promettente per la sua capacità specifica molto elevata ma con lo svantaggio di subire una grande espansione di volumetrica durante i processi di carica e scarica della batteria. In questo lavoro di tesi, l'obiettivo è quello di sfruttare la grande capacità teorica di accumulo del silicio e migliorare la vita di utilizzo delle batterie modificando la superficie delle particelle di silicio con dei silani. Le prove mirano a far accoppiare silani, con diversi gruppi funzionali, silicio per creare una modifica superficiale che interagisca positivamente con l'ambiente circostante e funga da ammortizzatore per l'espansione volumetrica del silicio. L'obiettivo finale è quello di aumentare la durata del ciclo della batteria. Nella prima parte di questo lavoro vengono descritti i processi di produzione e di funzionalizzazione degli anodi compositi di grafite-silicio. La parte sperimentale si concentra sulla caratterizzazione elettrochimica dei campioni mediante voltimetria ciclica, C rate e test di carica-scarica. I risultati mostrano una maggiore stabilità del processo di carica-scarica di alcuni campioni funzionalizzati fino a 100 cicli.